Le basculement des sciences et les « cristaux quantiques » temporels

 Tous les indicateurs montrent que la science moderne pourrait basculer ces prochaines années. Cette science imaginée par Descartes, devenue analytique, rationnelle, mathématique, formelle, mécaniste. Cette science qui a réalisé des prouesses inimaginables en technologies mais qui reste impuissante à comprendre l’essence de la nature et du cosmos. Et qui aussi échoue à expliquer le cancer, Alzheimer, les virus et d’autres choses, notamment l’émergence de la vie et de la conscience.

 Ce basculement se présente comme un phénomène global de disruption, non pas quantitative, liée à une accumulation colossale de données, mais qualitative, reposant sur quelques concepts centraux et une série de résultats acquis en physique quantique de la matière condensée, en biologie, en neuroscience, sans oublier les vieux concepts de la philosophie antique, essence, puissance, trinité. C’est en ce sens que la disruption scientifique que je pressens se distingue radicalement de la disruption numérique proposée par Ray Kurzweil pour lequel la singularité approche avec l’interpénétration des machines et des humains. C’est donc un défi qu’il faut relever, défier la singularité et l’ensorcellement transhumaniste. Mobiliser le génie européen face aux artificiers de Chine et des GAFA. N’oublions pas que nous Européens venons de loin, de la Grèce antique et de l’Orient mystique, en passant par les alchimistes médiévaux puis renaissants et les génies de la physique contemporaine, de Faraday à Dirac.

 La disruption scientifique reposera sur la mise en relation des découvertes récentes. Elle est hors de portée pour une intelligence artificielle. En revanche, elle s’offre à ceux qui ont fait l’effort de curiosité, de sapience et d’audace. Les formules quantiques accordées aux réalités matérielles ouvrent un champ inédit. J’avais déjà médité sur une étrange relation mathématique découverte par des physiciens effectuant des calculs sur les oscillations de neutrinos, sans pour autant décrypter cette nouvelle pierre quantique de Rosette. Cette fois, ce sont les « cristaux temporels », figurant à la une du Pour la Science de janvier 2020, qui ont suscité mon étonnement.

 J’ai cru déceler dans ces découvertes une sorte de pierre philosophale pour éclairer et confirmer le basculement des sciences. Après quelques jours passé à tenter de comprendre les formules et le sens physique dévoilé par ces phénomènes, j’ai dû jeter provisoirement l’éponge, n’ayant pas pu extraire cette pierre philosophale. Autrement dit, j’ai trouvé dans les publications quelques paillettes d’or mais pas le filon. Je ne sais pas si ce filon, cette pierre philosophale existe. Il faudrait creuser à nouveau, avec l’appui de quelques spécialistes en physique théorique pour avancer vers cette porte qui ouvre vers le basculement et se combine avec d’autres travaux dont ceux qui ont été publiés par mes soins chez Iste. En attendant, je vous invite à lire une présentation sommaire de cette découverte. L’article complet ne sera pas mis en ligne. Il en dit beaucoup plus mais pas assez pour un verdict clair sur cette énigmatique branche de la physique.

Les cristaux temporels et la matière quantique « kosmologique »

 La physique quantique a quelques fois anticipé des phénomènes en les faisant apparaître dans les calculs mathématiques avant de les observer dans les expériences. Les neutrinos furent postulés par Pauli en 1930 et détectés en 1956. Les positrons découlent de l’équation relativiste de l’électron établie par Dirac en 1928 et furent observés en 1932. Les cristaux temporels anticipés dès 2012 ont été observés quelques années plus tard dans avec des dispositifs d’une sophistication sans pareille. Pour comprendre la nature, il est utile d’étudier et de décoder les descriptions mathématiques en les raccordant aux réalités phénoménales. De plus, ces « cristaux » semblent déboucher sur une révolution scientifique majeure fondée sur certaines règles du monde quantique dont l’étude est assez récente.

1) Présentation générale

 Prédits en 2012 par le Nobel de physique Frank Wilczek les cristaux temporels ont été considérés comme incompatibles avec les lois de la physique grâce aux résultats théoriques de Patrick Bruno, physicien de l’ESRF à Grenoble. Néanmoins, une astuce a rendu possible la réalisation de ces structures quantiques oscillantes en excitant les composants quantiques avec système d’entraînement (le drive). Ces découvertes ne font pas consensus au sein de la communauté des physiciens. Certains ont considéré qu’il s’agit d’une nouvelle phase de la matière, d’autres ont extrapolé et prédit l’émergence d’une nouvelle branche de la physique et pour un bon nombre, le concept de cristal temporel n’a pas vraiment de sens et introduit de la confusion quant à la réalité physique des choses observées. Quoi qu’il en soit, le cristal temporel est l’un des nouveaux phénomènes inédits explorés par les physiciens comme en attestent les plus de cent articles répertoriés dans les arXiv sur une période couvrant les années 2017 à 2019. En anglais, « time crystal ». Contrairement au « cristal classique » figé et caractérisé par un ordre spatial répétitif, réalisé par une brisure de symétrie de translation, le « cristal quantique temporel » possède un caractère supplémentaire ; il oscille dans le temps avec une période telle que si on observe ce cristal avec un stroboscope de période identique, il semble statique. Il ne faut pas confondre le cristal classique, comme celui produit par le diamant ou la neige, avec le cristal temporel quantique. Le seul point qui les réunit, c’est la présence d’un ordre spatial répétitif. Pour le reste la description est différente. Un cristal classique est décrit par une géométrie alors qu’un « cristal quantique » est représenté avec des outils mathématiques spécifiques comme la notion d’état propre, de vecteur propre, de valeur propre, ainsi que des outils algébriques comme les matrices. N’oublions pas de rappeler l’asymétrie entre les descriptions classiques et quantiques. En principe, toute émergence matérielle classique possède une explication quantique (excepté le cosmos), en revanche, il existe des émergences quantiques qui n’ont pas d’explication classique et c’est le cas pour ces nouveaux phénomènes que sont les cristaux temporels et qu’il serait plus judicieux de désigner comme structure quantiques non ergodiques (comme on l’expliquera ultérieurement). Autrement dit, la mécanique quantique peut expliquer les structures thermodynamiques dissipatives et Prigogine ne s’est pas privé de le faire ; en revanche, les « cristaux temporels » ne s’expliquent pas avec la physique de Prigogine.

 Cette découverte explicable mais inattendue nous interroge à plusieurs titres. En premier lieu, quelle est la nature du phénomène, peut-on l’expliquer avec les lois connues de la physique, ou alors invoquer un mécanisme inédit ? Le cristal temporel serait en effet causé par un mécanisme de brisure de symétrie temporelle d’un genre nouveau ce qui fournit une explication formelle mais pas forcément physique. En second lieu, comme pour toute découverte imprévue, on se demande si ce qui a été observé dans des configurations très spéciales est susceptible d’être étendu en élargissant le champ et en imaginant une nouvelle physique (comme ce fut le cas avec les structures dissipatives de Prigogine ou le quantum de Planck). Enfin, en adoptant le principe d’une philosophie de la nature, que peut-on tirer comme enseignement sur le « fonctionnement intime » de la matière, avec les règles quantiques certes, mais aussi à une échelle nanoscopique ou mésoscopique ? Peut-être avons-nous ici une nouvelle physique qui comme les précédentes nous livre un aspect fondamental de la nature et même du cosmos. Auquel cas, il convient d’analyser ce qui est propre aux cristaux quantiques de Floquet et donc sort du cadre explicatif des autres physiques connues. Et pour être complet sur cette question, il faut préciser que ces cristaux ne sont qu’un cas particulier de systèmes quantiques désignés comme MBL et dont l’étude est très récente car ils nécessitent des technologies très fines dont le développement est lui aussi récent.

 En 2013, Patrick Bruno a établi que les cristaux imaginés par Wilczek sont en quelque sorte un mouvement perpétuel ce qui est impossible d’après les lois physiques. Le résultat a été confirmé en 2015, mais l’année suivante, Norman Yao, de l’université de Californie à Berkeley et ses collègues ont montré qu’on peut contourner cette impasse en considérant des systèmes hors équilibre. Dans certaines conditions, un système quantique isolé pourrait ne jamais atteindre un état d’équilibre. Il serait alors possible de le faire osciller de façon permanente dans cet état hors équilibre. Il suffit d’utiliser un système excitant le système, autrement dit un système d’entraînement, une sorte de chef d’orchestre battant la mesure et se comportant comme un métronome pour relancer périodiquement l’orchestre atomique en l’incitant à battre la mesure ou plutôt la double mesure. Pour résumer, l’orchestre atomique imaginé par Wilczek ne joue pas de musique, son état fondamental (spontané) est le silence (ou le bruit). En revanche, l’orchestre se met à jouer avec sa propre mesure lorsqu’il est entraîné avec les signaux envoyés par le chef (drive, métronome).

 Le cristal temporel est donc généré par des composants quantiques en interaction placés au contact d’un dispositif d’entraînement (drive) envoyant des signaux périodiques que les composants peuvent capter. L’explication théorique repose sur une brisure de symétrie temporelle « réalisée » par ce système quantique à N corps dont l’hamiltonien n’est pas constant mais périodique, autrement dit H(t) = H(t + T) avec T désignant la périodicité du système. La théorie explicitant la conception de ces cristaux s’inspire d’un outil inventé par le mathématicien français Floquet qui à la fin du XIXe siècle, s’intéressa aux équations différentielles linéaires dont les coefficients sont périodiques. Dans la littérature anglo-saxonne, les cristaux temporels sont désignés par l’abréviation DTC qui signifie Floquet/time discret cristal. Placés en présence d’un dispositif d’entraînement, ces cristaux émergent comme une phase oscillante, stable, durable, résistante aux perturbations, avec des fréquences précises, égales aux sous-harmoniques. C’est comme si le chef d’orchestre battait la mesure et que l’orchestre se mettait à jouer avec une double mesure. Le chef agite sa baguette toute les secondes et l’orchestre résonne toutes les deux secondes, voire trois ou plus.

 L’étude des cristaux temporels de Floquet s’est développée ces cinq dernières années. Leur présentation nécessite des revues de plus de 50 pages. L’une de ces revues évoque les cristaux temporels en ces termes : « Ces cristaux temporels de Floquet représentent un nouveau paradigme en mécanique quantique statistique – celui des phases hors équilibre de la matière exempte de processus conduisant vers l’équilibre thermique » (Khemani, 2019). Le caractère fondamental qui distingue ce phénomène des autres branches de la physique, c’est l’absence de « thermalisation », un caractère partagé avec les émergences MBL dont les cristaux de Floquet ne sont qu’un cas particulier. Pour reprendre l’image précédente, un système MBL est un orchestre sans métronome qui joue une partition et qui au bout d’un certain temps finit par en jouer une autre. Le cristal de Floquet est un orchestre MBL influencé par un métronome qui le maintient hors-équilibre

2) Deux catégories fondamentales, l’équilibre et la thermalisation

3) Les structures quantiques non ergodiques : vers une nouvelle physique des émergences

4) Phase quantique, bruit dans les systèmes à N corps

5) Deux entropies ; la confirmation de deux physiques ?

6) Les structures quantiques périodiques de Floquet et la nouvelle physique

Références

V. Khemani, R. Moessner, S.L. Sondhi, A Brief History of Time Crystals, arXiv:1910.10745, 2019

https://arxiv.org/pdf/1910.10745.pdf

Time Crystals : A New Physics Phenomenon

How This Seemingly Fictional Discovery is Taking the Physics Field by Storm

https://www.sciencelass.com/physics-and-tech/time-crystals-new-physics-phenomenon/

L’information et la scène du monde, Iste éditions, 2017

https://iste-editions.fr/products/linformation-et-la-scene-du-monde

Temps, émergences et communications, Iste éditions, 2017

https://iste-editions.fr/products/temps-emergences-et-communications