Une expérience réalisée par une équipe de l'Université de Toronto au Canada et de l'Université Griffith en Australie a montré que lorsque les photons traversent un « trafic » atomique composé d'atomes froids de rubidium, ils peuvent en réalité « partir tard et arriver tôt », ce qui équivaut statistiquement à vivre un « temps négatif » dans le milieu atomique. Les chercheurs ont découvert grâce à des mesures précises que les photons qui arrivaient les premiers au détecteur dans l'impulsion lumineuse globale auraient un temps de séjour moyen « négatif » s'ils étaient retracés jusqu'à leur séjour dans le nuage atomique. Ce résultat souligne encore davantage l’étrangeté et l’ambiguïté du concept de temps à l’échelle quantique.

Dans l'intuition classique, la vitesse de propagation de l'information dans le vide est fixée à environ 300 000 kilomètres par seconde, ce qu'on appelle la « vitesse limite » de cause à effet ; les photons, en tant que particules/ondes sans masse, doivent également respecter strictement cette limite supérieure dans le vide. Lorsqu'un milieu tel que des atomes est introduit dans le chemin de propagation, les photons se dispersent ou interagissent avec les atomes, ce qui donne l'impression que l'impulsion globale est « ralentie », mais cela est généralement compris comme signifiant que le chemin est tortueux, plutôt qu'une véritable percée dans la vitesse causale. Intuitivement, les gens s'attendent à ce que lorsqu'une impulsion lumineuse traverse un milieu atomique, cela ressemble à la circulation aux heures de pointe, avec des « lève-tôt » arrivant tôt et des « retardataires » arrivant tard. La forme globale reculera simplement sur l’axe du temps.

Cependant, depuis les années 1990, les physiciens expérimentateurs ont successivement signalé un phénomène contre-intuitif : en comparant une impulsion lumineuse voyageant dans le vide avec une impulsion lumineuse traversant un milieu, il arrive parfois que le « pic » de l'impulsion dans le milieu atteigne le détecteur plus tôt que le pic dans le vide. Cela ne signifie pas qu'un photon se déplace plus vite que dans le vide, mais que la forme globale de l'impulsion est « remodelée » dans le milieu, faisant avancer le « pic » statistique. Une explication est que l'interaction entre les photons et les atomes projette statistiquement une « ombre » similaire, modifiant la distribution de l'impulsion de sortie, provoquant le déplacement des photons initialement concentrés au milieu vers l'avant, provoquant ainsi un « saut en avant » du pic.

Dans les dernières recherches, les scientifiques espèrent éliminer les interférences d'un tel « remodelage macroscopique » et évaluer directement les caractéristiques temporelles des photons dans le milieu à un niveau plus microscopique. À cette fin, l’équipe ne s’est pas contentée d’observer les formes d’onde d’entrée et de sortie des impulsions lumineuses, mais s’est tournée vers « observer » le nuage d’atomes de rubidium à ultra-basse température. En mesurant la durée de l’état excité après l’excitation des atomes, ils ont indirectement déduit « combien de temps » les photons qui interagissaient avec lui restaient dans le milieu. Ce type de mesure est extrêmement sensible et nécessite un grand nombre d’expériences répétées pour faire la moyenne de l’interférence du bruit environnemental sur le comportement quantique délicat des atomes afin d’obtenir des résultats statistiques fiables.

L'analyse montre que d'un point de vue statistique, les photons qui « arrivent tôt » dans l'impulsion globale correspondent effectivement aux résultats de mesure qui ont connu un « temps négatif » dans le milieu atomique. Cela ne signifie certainement pas qu'ils sont réellement tombés dans une sorte de trou de ver et ont « voyagé » depuis le futur, ni que les lois causales ont été violées ; les physiciens ont souligné qu’au cours de ce processus, la structure espace-temps n’était pas déchirée et que l’ordre causal restait cohérent. Ce qui est réellement « étiré », c’est la quantité physique de temps elle-même au niveau quantique. Tout comme d’autres observables quantiques, il montre les caractéristiques des nuages ​​flous et probabilistes à des échelles fines.

Le cadre théorique qui le sous-tend est toujours indissociable du principe d’incertitude de Heisenberg : lorsque vous mesurez certaines quantités physiques (telles que l’énergie) avec une précision extrêmement élevée, les quantités incertaines appariées (telles que le temps) sont obligées de devenir plus floues. Lors de l'interaction entre les photons et les atomes, les niveaux d'énergie des deux parties apparaissent dans un état similaire à la « résonance », tout comme un parent poussant une balançoire avec un rythme serré ; dans ce cas, l'énergie peut être définie de manière extrêmement précise, tandis que la dimension du temps est forcée de se détendre et que les résultats de mesure sont "tachés" dans les fluctuations quantiques, de sorte que des valeurs anormales telles que le "temps négatif" peuvent apparaître statistiquement. En d’autres termes, le soi-disant « temps négatif » ne signifie pas que la lumière recule réellement, mais que le temps peut entrer dans la distribution de probabilité d’une manière non classique au niveau quantique, donnant ainsi des lectures au-delà de l’expérience quotidienne dans certaines conditions.

L'équipe de recherche a souligné que s'il pouvait être confirmé dans des expériences similaires à l'avenir si ces photons "tardifs" dans l'impulsion "portaient" le "surplus de temps" correspondant, cela permettrait de mieux comprendre le rôle exact de l'incertitude quantique dans ce phénomène. Une fois ces expériences perfectionnées, les scientifiques seront en mesure de décrire plus clairement le fonctionnement du temps dans le monde quantique et devraient faire progresser notre compréhension de questions fondamentales telles que la transmission de l’information quantique et l’interaction lumière-matière. Ce qui résonne peut-être davantage pour les employés de bureau ordinaires, c'est que cette recherche fournit au moins une « excuse cérébrale » au niveau physique : si vous êtes encore en retard un jour, qui ne voudrait pas dire au patron : « Désolé, j'ai vécu une petite incertitude quantique en chemin » ?