Zéro absolu

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Le zéro absolu est la température la plus basse qui puisse exister, mais elle est inaccessible du fait de propriétés quantiques. Elle vaut −273,15 °C, -459,67 °F (Fahrenheit), 0 K (kelvin)[1], ou 0 °Ra (échelle Rankine), ces deux dernières échelles utilisant le zéro absolu comme zéro de leur échelle par définition.

Physique[modifier | modifier le code]

C'est la température minimale qui n'est atteinte qu'asymptotiquement. Elle est théorique et inaccessible, 450 pK (soit 0,45 nK ou 0,000 000 000 45 K), c'est-à-dire -273,149 999 999 55 °C, est le record atteint en 2003[2] au laboratoire de recherches du Massachusetts Institute of Technology (MIT) par une équipe codirigée par le prix Nobel de physique Wolfgang Ketterle. À 0 K, une substance ne contient plus à l'échelle macroscopique l'énergie thermique (ou chaleur) nécessaire à l'occupation de plusieurs niveaux énergétiques microscopiques. Les particules qui la composent (atomes, molécules) sont toutes dans le même état d'énergie minimale (état fondamental). Cela se traduit par une entropie nulle due à l'indiscernabilité de ces particules dans ce même niveau d'énergie fondamentale et par une totale immobilité au sens classique. Mais en fait, on sait que selon la physique quantique, les particules possèdent toujours une quantité de mouvement non nulle d'après le principe d'incertitude (Heisenberg).

En effet, en tendant vers le zéro absolu, les molécules d'un corps auraient leur quantité de mouvement de plus en plus précisément définie (proche de zéro), leurs positions auraient tendance à avoir une indétermination intrinsèque résiduelle. Mais comme elles tendent aussi vers l'arrêt, leurs positions tendraient aussi à être précisément définies. En fait, elles tendent vers un état d'énergie minimale, aux approches du zéro absolu, respectant ainsi le principe d'indétermination quantique.

Histoire[modifier | modifier le code]

Graphique de la pression versus la température pour 3 gaz différents et leur extrapolation vers le zéro absolu
  • En 1702, l'état du zéro absolu a été proposé pour la première fois par Guillaume Amontons, physicien et académicien français, qui travaillait sur la relation entre température et pression dans les gaz, même s'il n'avait pas à sa disposition de thermomètre précis. Bien que ses résultats soient quantitatifs, il établit que la pression d'une quantité donnée de gaz confinée dans un volume donné augmente d'à peu près un tiers lorsqu'il passe d'une température « froide » à celle de l'ébullition de l'eau, ce qui l'amène à supposer qu'une réduction suffisante de température entraînerait une absence de pression.

En fait, bien que le zéro absolu puisse être défini de cette façon, la plupart des gaz se liquéfient avant d'atteindre 0 K (voir thermomètre à gaz).

  • En 1824, Sadi Carnot publie son œuvre majeure : Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance. Dans une note en bas de page, qui fut négligée par les premiers commentateurs, il laisse entendre que le rendement d’un moteur thermique idéal pourrait servir de base à une échelle absolue des températures[3].
  • En 1848, William Thomson, Lord Kelvin, propose une échelle de température absolue dans laquelle une réduction de la température mesurée correspond à une réduction équivalente dans la chaleur du corps étudié. Ce concept, en se libérant des contraintes de la loi des gaz, établit un zéro absolu comme étant la température à laquelle plus aucune chaleur ne peut être tirée du corps.

Application[modifier | modifier le code]

Les physiciens ont découvert que certaines substances développent des propriétés très intéressantes lorsqu'elles approchent cette limite. Certains fluides, les isotopes stables de l'hélium, perdent toute viscosité (c'est la superfluidité). Et certains métaux ou alliages perdent leur résistance électrique (c'est la supraconductivité) ou, au contraire, présentent une résistance électrique très élevée (c'est un état supra-isolant[4]). Les recherches pour s'approcher du zéro absolu sont donc nombreuses.

En pratique, on atteint aujourd'hui couramment 0,21 K en faisant évaporer de l'hélium, mais une autre méthode — appelée la « désaimantation adiabatique de substances paramagnétiques » — permet d'obtenir des températures encore plus basses, jusqu'à 10-6 K. Enfin, le refroidissement de gaz atomiques bosoniques jusqu'au condensat de Bose-Einstein permet d'atteindre des températures de l'ordre de 10-9 K. C'est cette technique de refroidissement d'atomes par laser qui a été utilisée par les chercheurs du MIT pour atteindre le record de 450 pK.

Température absolue négative[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Température négative.

Dans certaines expériences de physique quantique, les opérateurs calculent des températures thermodynamiques négatives. Ces valeurs négatives très faibles (de l'ordre de quelques picokelvins à quelques nanokelvins) apparaissent dans la mesure de certains systèmes quantiques très particuliers dont l'entropie, après avoir atteint un maximum, diminue à mesure qu'on leur ajoute encore de l'énergie[5],[6]. Les échantillons pour lesquels on mesure des températures absolues négatives ne sont donc pas à considérer comme étant « plus froids » que le zéro absolu puisqu'ils fourniraient de la chaleur à tout autre système qui viendrait à leur contact. Les températures négatives ne signifient pas non plus que la température est passée à un moment quelconque par le zéro absolu, « Ce dernier restant impossible à atteindre »[7].

En janvier 2013, des physiciens ont annoncé, dans la revue scientifique Nature, la première obtention d'un gaz d'atomes de potassium avec une température absolue, définie thermodynamiquement dans les degrés de liberté de mouvement, négative. La technique consiste à piéger des atomes dans une configuration qui serait instable à température absolue positive, et, le piège étant stable, le système se voit attribuer une température absolue négative. Le sens et l'importance de ces travaux restent à cerner[8].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (fr) BIPM (Bureau international des poids et mesures)
  2. (en) MIT team achieves coldest temperature ever
  3. Les débuts de la thermodynamique - D.S.L Cardwell in La Recherche en histoire des sciences, Le Seuil - La Recherche, 1983 (ISBN 2-02-006595-9)
  4. (fr) http://www.techno-science.net/?onglet=news&news=5282
  5. (en) Norman F. Ramsey, Spectroscopy with coherent radiation: selected papers of Norman F. Ramsey with commentary, Singapore; River Edge, N.J., World Scientific,‎ 1998, 417 p. (ISBN 9789810232504, OCLC 38753008)
  6. (en) « Positive and negative picokelvin temperatures »
  7. Roger Balian. Vrai ou faux, une température absolue peut-elle être négative ? In Pour la Science, mars 2013, n°425, p. 19.
  8. (en) Merali, Zeeya, « Quantum gas goes below absolute zero », Nature,‎ 3 janvier 2013

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]