Elles sont plus nombreuses qu'on le pense ces bizarreries. Dans ce premier article, nous allons nous cantonner à la physique des particules tout en admettant que cette brève présentation soit loin d'être exhaustive. Avec Einstein, la lumière a retrouvé un aspect corpusculaire tout en conservant un aspect ondulatoire. Pour la relativité restreinte, la particule de lumière n'a pas de temps propre. Au moins trois découvertes vont "mettre en lumière" des curiosités issues de ces deux caractéristiques. 

Le temps et l'antimatière 

La découverte de l'antimatière couplée à la relativité restreinte va nous conduire un à premier constat sur la dimension du temps. Prenons l'exemple d'une particule et de son antiparticule qui s'annihilent pour donner naissance à deux photons. Au départ, dans le référentiel de chacune des deux particules de matière et d'antimatière, le temps existe. En s'annihilant, elles deviennent en quelque sorte deux particules de lumière et, dans le référentiel de celle-ci, le temps est absent. Autrement dit, dans le système de référence de chacune des particules, le phénomène d'annihilation conduit à la suppression du temps. Le phénomène inverse, la production d'une paire particule-antiparticule, conduit à l'émergence du temps dans le système de référence de ces particules. Selon la relativité restreinte, ces phénomènes font intervenir la conversion temps-espace et espace-temps. 

De façon tout aussi intéressante, la physique quantique nous apprend que ce phénomène d'annihilation se produit aussi dans le domaine des particules virtuelles. Prenons l'exemple ici de deux électrons qui interagissent en se repoussant l'un et l'autre. Selon l'électrodynamique quantique, cette interaction se produit par l'échange d'un photon entre les deux électrons, mais cette même théorie affirme que, durant cet échange, le photon peut se transformer momentanément en un électron et un positron qui vont aussitôt s'annihiler pour redonner un photon. Cette double conversion espace-temps/temps-espace se produit dans un temps extrêmement court. 

L'effet Compton et l'effet Compton inverse

Nous l'avons dit, dans le système référentiel d'un photon, le temps n'existe pas. L'effet Compton et l'effet Compton inverse ont révélé de façon expérimentale la nature corpusculaire de la lumière. Le choc entre un photon et un électron fait perdre de l'énergie au photon par transfert à l'électron dans le premier cas et l'effet inverse réalise ce transfert d'énergie dans l'autre sens : l'énergie de la particule de lumière augmentant alors que l'énergie cinétique de l'électron diminue. Dans ce cas-ci, nous sommes forcés de prendre en considération la modification de l'énergie du photon même dans son système référentiel. Cependant ce transfert d'énergie est quantifié, il doit donc survenir brusquement, sans écoulement temporel. Autrement dit, tout au long du déplacement de la particule de lumière, son temps propre est inexistant puis, brusquement, survient un changement qui modifie son énergie. On peut imaginer ainsi ces modifications d'énergie pour une particule survenant successivement à la suite d'interactions due à la rencontre de plusieurs électrons, si bien qu'on est amené à concevoir dans le système de référence d'un photon une suite d'instants surgissant là où il y a habituellement absence de temps pour la particule. Voilà qui est très... particulier. 

L'intrication quantique et la non-localité

Et nous ne sommes pas au bout de nos surprises. La physique de la deuxième moitié du 20e siècle a fait surgir un autre phénomène propre à exacerber notre étonnement. La non-localité de l'intrication quantique. Selon ce phénomène, deux particules forment un système unique dont la mesure de l'état de l'une influence instantanément l'autre, peu importe la distance qui les sépare, sans qu'aucun signal ne voyage dans l'espace. Il va sans dire qu'un tel tour de passe-passe a fait l'objet de très nombreuses expériences, toutes plus poussées et raffinées les unes que les autres, toujours pour parvenir à ce résultat délirant. La nature nous souhaite la bienvenue encore une fois au royaume de la physique quantique! Ici, bien que la causalité ne soit pas entièrement bafouée, une cause produit un effet en l'absence de temps! 

Le temps n'a pas fini de s'amuser aux dépens de notre intuition. Dans le prochain article, j'aborderai la tendance théorique, mais aussi expérimentale, de la dimension temporelle à vouloir se propager dans la direction opposée.