Zéro absolu

Cet article concerne une notion de physique. Pour la bande dessinée, voir Zéro absolu (bande dessinée).

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Le zéro absolu est la température la plus basse qui puisse exister dans l'univers. Elle vaut -273,15 °C, -459,67 °F (Fahrenheit), 0 K (kelvin), ou 0 °Ra (échelle Rankine), ces deux dernières échelles utilisant le zéro absolu comme zéro de leur échelle par définition.

Physique

C'est la température minimale qui n'est atteinte qu'asymptotiquement. Elle est théorique et inaccessible, 450 pK (soit 0,45 nK ou 0,00000000045 K), c'est-à-dire -273,14999999955 °C, est le record atteint en 2003 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

• En 1702, l'état du zéro absolu a été proposé pour la première fois par Guillaume Amontons 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.

• 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.

• 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

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). 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

Dans certains domaines, tel celui de l'imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire (IRM), certains opérateurs manipulent des valeurs négatives de température absolue. Ces chiffres résultent de la définition de cette grandeur dans la thermodynamique moderne. Ces valeurs ne sont pas à considérées comme inférieures aux positives et elles ne signifient pas que la température est passée à un moment quelconque par le zéro absolu. Ce dernier restant impossible à atteindre.