Après plus d’un siècle de débats auxquels ont participé des personnalités comme Einstein lui-même, les physiciens ont enfin apporté la preuve mathématique de la troisième loi de la thermodynamique, qui stipule qu’une température de zéro absolu ne peut être atteinte physiquement car il est impossible que l’entropie (ou désordre) d’un système atteigne zéro.
Alors que les scientifiques soupçonnent depuis longtemps l’existence d’une “limite de vitesse” intrinsèque au refroidissement dans notre Univers, qui nous empêche d’atteindre le zéro absolu (0 Kelvin, -273,15°C ou -459,67°F), il s’agit de la preuve la plus solide à ce jour que les lois actuelles de la physique s’appliquent à la température la plus basse possible.
“Nous montrons que vous ne pouvez pas réellement refroidir un système jusqu’au zéro absolu avec une quantité finie de ressources et nous sommes allés un peu plus loin”, a déclaré à IFLScience l’un des membres de l’équipe, Lluis Masanes, de l’University College London .
“Nous concluons alors qu’il est impossible de refroidir un système jusqu’au zéro absolu en un temps fini, et nous avons établi une relation entre le temps et la plus basse température possible. C’est la vitesse de refroidissement.”
Ce à quoi Masanes fait référence ici, ce sont deux hypothèses fondamentales dont dépend la validité de la troisième loi de la thermodynamique.
La première est que pour atteindre le zéro absolu dans un système physique, l’entropie du système doit également atteindre zéro.
La deuxième règle est connue sous le nom de principe d’inaccessibilité, qui stipule que le zéro absolu est physiquement inaccessible car aucun système ne peut atteindre l’entropie zéro.
La première règle a été proposée par le chimiste allemand Walther Nernst en 1906 et, bien qu’elle lui ait valu le prix Nobel de chimie, des poids lourds comme Albert Einstein et Max Planck n’ont pas été convaincus par sa démonstration et ont proposé leurs propres versions de la limite de refroidissement de l’Univers.
Cela a incité Nernst à aller plus loin dans sa réflexion et à proposer la deuxième règle en 1912, déclarant que le zéro absolu était physiquement impossible.
Ensemble, ces règles sont aujourd’hui reconnues comme la troisième loi de la thermodynamique, et bien que cette loi semble être vraie, ses fondements ont toujours semblé un peu rocailleux – quand il s’agit des lois de la thermodynamique, la troisième a été un peu un mouton noir.
“Parce que les arguments précédents ne portaient que sur des mécanismes spécifiques ou étaient paralysés par des hypothèses douteuses, certains physiciens n’ont jamais été convaincus de sa validité”, explique Leah Crane pour New Scientist.
Afin de tester la solidité des hypothèses de la troisième loi de la thermodynamique dans les systèmes classiques et quantiques, Masanes et son collègue Jonathan Oppenheim ont décidé de vérifier s’il est mathématiquement possible d’atteindre le zéro absolu en étant limité par un temps et des ressources finis.
Masanes compare cet acte de refroidissement à l’informatique : nous pouvons observer un ordinateur résoudre un algorithme et enregistrer le temps qu’il prend. De la même manière, nous pouvons calculer le temps qu’il faut à un système pour être refroidi jusqu’à sa limite théorique, en raison des étapes nécessaires pour évacuer sa chaleur.
On peut considérer que le refroidissement consiste à “pelleter” la chaleur existante dans un système et à la déposer dans le milieu environnant.
La quantité de chaleur présente dans le système au départ déterminera le nombre d’étapes nécessaires pour l’évacuer, et la taille du “réservoir” dans lequel cette chaleur est déposée limitera également votre capacité de refroidissement.
En utilisant des techniques mathématiques dérivées de la théorie de l’information quantique – ce qu’Einstein avait préconisé dans ses propres formulations de la troisième loi de la thermodynamique – Masanes et Oppenheim ont découvert que l’on ne pouvait atteindre le zéro absolu que si l’on disposait à la fois d’étapes infinies et d’un réservoir infini.
Et ce n’est pas exactement quelque chose sur lequel nous allons mettre la main de sitôt.
Les physiciens s’ en doutent depuis longtemps, car la deuxième loi de la thermodynamique stipule que la chaleur se déplace spontanément d’un système plus chaud vers un système plus froid, de sorte que l’objet que vous essayez de refroidir absorbe constamment de la chaleur de son environnement.
Par conséquent, l’objet que vous essayez de refroidir absorbe constamment de la chaleur de son environnement. Et lorsqu’il y a de la chaleur dans un objet, cela signifie qu’il y a un mouvement thermique à l’intérieur, ce qui garantit qu’un certain degré d’entropie subsistera toujours.
Cela explique pourquoi, où que l’on regarde, chaque chose dans l’Univers est en mouvement, même très léger : rien n’est complètement immobile, selon la troisième loi de la thermodynamique.
Les chercheurs déclarent qu’ ils “espèrent que ces travaux mettent la troisième loi sur un pied plus conforme à celui des autres lois de la thermodynamique”, tout en présentant la vitesse théorique la plus rapide à laquelle nous pouvons réellement refroidir quelque chose.
En d’autres termes, ils ont utilisé les mathématiques pour quantifier les étapes du refroidissement, permettant ainsi aux chercheurs de définir la vitesse limite à laquelle un système peut se refroidir en un temps limité.
Et c’est important, car même si nous ne pourrons jamais atteindre le zéro absolu, nous pouvons nous en approcher, comme l ‘a récemment démontré la NASA avec son laboratoire d’atomes froids, qui peut atteindre un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu, soit 100 millions de fois plus froid que les profondeurs de l’espace.
À ce type de température, nous pourrons observer des comportements atomiques étranges qui n’ont jamais été observés auparavant. Et la capacité d’éliminer autant de chaleur d’un système sera cruciale dans la course à la construction d’un ordinateur quantique fonctionnel .
Et le plus beau, c’est que si cette étude a définitivement éliminé le zéro absolu, personne ne s’est encore approché des températures ou des vitesses de refroidissement qu’elle a fixées comme limites physiques – malgré quelques efforts impressionnants ces derniers temps.
“Le travail est important – la troisième loi est l’une des questions fondamentales de la physique contemporaine”, a déclaré au New Scientist Ronnie Kosloff de l’Université hébraïque de Jérusalem, en Israël, qui n’a pas participé à l’étude.
“Elle met en relation la thermodynamique, la mécanique quantique, la théorie de l’information – c’est un point de rencontre de beaucoup de choses”
L’étude a été publiée dans la revue Nature Communications.