Les cristaux de temps pourraient exister après tout – et ils pourraient briser la symétrie espace-temps

Proposés pour la première fois par le physicien théoricien Frank Wilczek, lauréat du prix Nobel, en 2012, les cristaux de temps sont des structures hypothétiques qui semblent avoir du mouvement même dans leur état d’énergie le plus bas.

Cette capacité viole une symétrie fondamentale de la physique appelée symétrie de translation temporelle, mais les physiciens ont maintenant démontré qu’il pourrait être possible que les cristaux de temps existent physiquement.

Si tout cela n’a aucun sens pour vous, ne vous inquiétez pas, nous allons vous expliquer le contexte.

En 2012, Wilczek et une équipe de physiciens théoriciens du MIT ont suggéré qu’il serait possible d’ajouter une quatrième dimension – le mouvement du temps – à un cristal, lui conférant la capacité d’agir comme une sorte de “gardien du temps” perpétuel, ou horloge.

En termes simples, M. Wilczek a imaginé un objet capable d’effectuer un mouvement perpétuel en se déplaçant périodiquement, puis en revenant sans cesse à son état d’origine, dans son état d’énergie le plus faible, appelé état fondamental.

Comme l’énergie de l’état fondamental est connue comme l’énergie du point zéro d’un système, cela signifie que le mouvement devrait théoriquement être impossible – mais peut-être pas pour les cristaux de temps.

un cristal de temps à basse température Comme l’explique Bob Yirka pour Phys.org, Wilczek a proposé qu’il soit possible de construire un supraconducteur, car les cristaux s’alignent naturellement à basse température.

“Il semblait raisonnable de supposer que les atomes d’un tel cristal pourraient se déplacer ou tourner, puis revenir à leur état naturel naturellement, continuellement, comme les cristaux ont l’habitude de le faire lorsqu’ils recherchent un état de plus faible énergie”, explique Bob Yirka.

L’idée était de faire en sorte qu’un anneau d’ions à l’intérieur du cristal puisse se déplacer indépendamment à l’intérieur du cristal – comme une souris explorant l’intérieur de l’estomac d’un serpent – mais il ne parvenait pas à trouver comment construire un tel objet.

Quelques mois plus tard, une autre équipe de physiciens de l’université de Purdue est intervenue et a déclaré que le projet de Wilczek pouvait fonctionner, mais qu’il fallait simplement de meilleurs pièges à ions, ce qui pourrait être mis au point dans les années à venir.

Avance rapide jusqu’à aujourd’hui, et ces prédictions semblent plutôt justes.

Des physiciens de l’université de Californie à Santa Barbara ont proposé qu’il est possible, en théorie, de construire un cristal temporel à partir d’un grand système d’atomes, d’ions ou de qubits supraconducteurs piégés – des particules utilisées dans les ordinateurs quantiques pour remplacer les bits des ordinateurs actuels – comme l’avait prédit l’équipe de Purdue il y a quatre ans.

Mais ils ne cherchaient pas spécifiquement une méthode pour produire un cristal temporel. Ils voulaient plutôt essayer de prouver que les cristaux de temps pouvaient exister en s’attaquant au principal argument contre eux, à savoir que leur existence rompt fondamentalement la symétrie de translation du temps (STT).

La symétrie de translation temporelle est une version de l’une des trois symétries de l’espace-temps appelée symétrie de translation, qui stipule que les lois de la physique sont les mêmes partout et à tout moment.

Il s’agit de l’une des hypothèses les plus fondamentales de notre compréhension actuelle de la physique, mais l’équipe de l’université de Californie affirme qu’il est possible de briser la symétrie de translation temporelle sans que tout ce que vous connaissez et aimez s’effondre autour de vous.

“La différence cruciale ici est entre la rupture explicite de symétrie et la rupture spontanée de symétrie”, a déclaré Dominic Else, l’un des membres de l’équipe, à Lisa Zyga de Phys.org.

“Si une symétrie est brisée explicitement, alors les lois de la nature n’ont plus cette symétrie ; la rupture de symétrie spontanée signifie que les lois de la nature ont une symétrie, mais que la nature choisit un état qui ne l’a pas.”

Comme l’explique Zyga, si la symétrie de translation temporelle spontanément brisée n’a jamais été observée auparavant, presque tous les autres types de rupture de symétrie spontanée l’ont été – par exemple, comment les aimants obtiennent leurs pôles nord et sud (quelle force a décidé lequel serait le nord et lequel serait le sud ?), et comment les cristaux ordinaires ont un aspect différent lorsqu’ils sont vus sous différents angles dans l’espace.

À l’aide d’une simulation, l’équipe a démontré comment une symétrie de translation temporelle spontanément brisée pouvait avoir lieu dans un type de système quantique appelé “systèmes pilotés localisés de Floquet à plusieurs corps”.

Ils ont découvert qu’un simple cristal pouvait être transformé en un tel système et qu’il était capable de réaliser deux choses qui lui permettaient de coexister avec notre compréhension actuelle de la physique.

Tout d’abord, il est resté loin de l’équilibre thermique à tout moment, ce qui signifie que le système ne s’est jamais réchauffé, malgré ses mouvements périodiques et oscillants.

Deuxièmement, à mesure que la taille du système augmentait, le temps nécessaire à un état de rupture de symétrie pour revenir à un état de respect de la symétrie augmentait, ce qui signifie que dans un système infini, l’état de respect de la symétrie ne peut jamais être atteint.

La symétrie de translation temporelle peut donc être rompue indéfiniment dans le système du cristal temporel, mais cet objet en rotation perpétuelle ne se réchauffe pas, de sorte que la deuxième loi de la thermodynamique reste intacte – une condition essentielle pour qu’un cristal temporel puisse exister dans le cadre des lois de la physique.

“L’importance de nos travaux est double : d’une part, ils démontrent que la symétrie de translation du temps n’est pas à l’abri d’une rupture spontanée”, a déclaré à Phys.org Bela Bauer, membre de l’équipe.

“D’autre part, elle approfondit notre compréhension du fait que les systèmes hors équilibre peuvent héberger de nombreux états intéressants de la matière qui ne peuvent pas exister dans les systèmes en équilibre.”

La prochaine étape, bien sûr, est que quelqu’un aille de l’avant et construise une telle chose pour de vrai. Et avec cette preuve en main, il n’y a jamais eu de meilleur moment pour se tailler un cristal temporel.

L’étude a été publiée dans Physical Review Letters.