Mesurer le temps avec précision augmente l’entropie de l’Univers

De nouvelles recherches ont montré que la précision maximale d’une horloge était directement liée à la quantité de désordre, ou entropie, que cette dernière générait à chaque tic.

« Augmenter la précision d’une horloge a un coût »

Dans le cadre de travaux présentés dans la revue Physical Review X, Natalia Ares, de l’université d’Oxford, et ses collègues ont utilisé une minuscule horloge dont la précision pouvait être contrôlée. Cette dernière était constituée d’une membrane de nitrure de silicium de 50 nanomètres d’épaisseur, mise en vibration par un courant électrique. Chaque fois que la membrane se déplaçait de haut en bas et revenait à sa position initiale, les chercheurs comptaient un tic. La régularité de l’espacement entre le tics indiquant la précision du dispositif.

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L’équipe a constaté que l’augmentation progressive de la précision de l’horloge induisait un dégagement de chaleur plus important au sein du système, accroissant l’entropie de son environnement en bousculant les particules proches.

« Augmenter la précision d’une horloge a un coût. Dans ce cas, toute énergie ordonnée supplémentaire injectée dans le dispositif est convertie en entropie », explique Ares. « En mesurant le temps, nous augmentons donc l’entropie de l’Univers. Et davantage de désordre le rapproche inexorablement de sa disparition. » Selon la chercheuse, l’échelle de l’entropie supplémentaire engendrée se révèle toutefois trop faible pour avoir une influence significative.

« Il a été suggéré que la raison pour laquelle le temps ne s’écoule qu’en avant, et non en arrière, est que la quantité totale d’entropie dans l’Univers augmente constamment, créant un désordre qui ne peut être rétabli », explique Marcus Huber, chercheur à l’Académie autrichienne des sciences de Vienne ayant participé aux travaux.

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Un effet possiblement commun à tous les types d’horloges

La relation mise en évidence par ces travaux constitue une limite à la précision d’une horloge. Ce qui sous-entend qu’un dispositif créant davantage d’entropie ne se révélera pas nécessairement plus précis. « Une horloge ancienne ne sera jamais aussi précise qu’une horloge atomique », explique Huber. « On pourrait faire un parallèle avec la consommation de carburant d’un véhicule. En consommer davantage ne signifie pas nécessairement que vous irez plus vite ou plus loin. »

Lorsque les résultats obtenus ont été comparés aux modèles théoriques développés pour les horloges reposant sur des effets quantiques, les chercheurs ont constaté avec étonnement que la relation entre la précision et l’entropie semblait être la même pour les deux.

Selon Ares, de tels résultats suggèrent « l’universalité de l’application des lois de la thermodynamique aux horloges », mais il existe de nombreux types de dispositifs pour lesquels la relation entre la précision et l’entropie n’a pas été explorée. « On ne sait toujours pas comment ce principe s’applique à des systèmes réels tels que les horloges atomiques, qui repoussent les limites quantiques ultimes de la précision », rappelle Mark Mitchison du Trinity College de Dublin.

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D’importantes implications

La compréhension de cette relation pourrait s’avérer utile pour concevoir les horloges du futur, en particulier celles utilisées dans les ordinateurs quantiques et d’autres dispositifs où la précision et la température sont cruciales.

De façon plus générale, cette découverte pourrait également aider les scientifiques à mieux cerner les similitudes et les différences entre le monde quantique et le monde classique, du point de vue de la thermodynamique et de la façon dont le temps s’écoule.