Les lois de la thermodynamique comptent parmi les principes les plus importants de la physique moderne, car elles définissent le comportement de trois quantités physiques fondamentales – la température, l’énergie et l’entropie – dans diverses circonstances.
Mais des physiciens affirment aujourd’hui avoir trouvé une faille dans l’une de ces lois, qui pourrait créer des scénarios dans lesquels l’entropie – ou le désordre – diminue réellement avec le temps.
Grâce à la physique moderne, presque tout ce qui existe dans l’Univers peut être expliqué selon deux théories : la relativité générale, pour les grandes choses comme les étoiles, les galaxies et l’Univers lui-même, et la mécanique quantique, pour les comportements à l’échelle atomique.
Au sein de ces deux branches, nous avons les quatre lois de la thermodynamique, qui décrivent comment la chaleur (ou l’énergie thermique) est convertie en et à partir de différents types d’énergie, et l’effet que cela peut avoir sur diverses formes de matière.
En gros, si vous voulez savoir comment l’énergie se déplace dans un système – d’un atome à un trou noir – ce sont les lois dont vous aurez besoin.
La deuxième loi de la thermodynamique, qui traite du passage de l’énergie “utilisable” à “inutilisable” au sein d’un système, nous intéresse particulièrement.
Lorsque l’énergie utilisable au sein d’un système fermé ou isolé diminue et que l’énergie inutilisable augmente, l’entropie augmente également.
L’entropie est une mesure du caractère aléatoire ou du désordre au sein d’un système fermé ou isolé, et la deuxième loi de la thermodynamique stipule qu’à mesure que l’énergie utilisable diminue, le chaos augmente – et que cette progression vers le désordre ne peut jamais être inversée.
Comme l’explique Alok Jha pour The Guardian, la deuxième loi de la thermodynamique est probablement encore plus profonde que la première loi de la thermodynamique – qui stipule que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite – car elle décrit les limites de ce que notre Univers peut faire.
“Cette loi concerne l’inefficacité, la dégénérescence et la décomposition. Elle nous dit que tout ce que nous faisons est intrinsèquement gaspillé et qu’il existe des processus irréversibles dans l’Univers”, explique M. Jha.
“Il nous donne une flèche pour le temps et nous dit que notre Univers a un destin inéluctablement sombre et désolé.”
Mais si ce n’était pas le cas dans chaque scénario ? Et si vous pouviez créer un système dans lequel l’entropie diminue réellement – l’œuf se débrouille tout seul, pour ainsi dire ?
Des chercheurs du laboratoire national Argonne du ministère américain de l’énergie affirment qu’ils ont peut-être découvert une faille dans la deuxième loi de la thermodynamique, où la marche de l’entropie peut aller dans la direction opposée – à l’échelle microscopique, du moins, et seulement à court terme.
Ils se sont penchés sur un concept statistique qui sous-tend la deuxième loi, appelé le théorème de H. Dans sa forme la plus simple, le théorème de H est une théorie de l’entropie. Dans sa forme la plus simple, le théorème de H décrit comment, si vous ouvrez une porte entre deux pièces – l’une chaude et l’autre froide – elles finiront par s’installer dans un équilibre tiède.
Mais, comme l’explique Avery Thompson pour Popular Mechanics, parce qu’il est pratiquement impossible de cartographier le mouvement de chaque molécule dans ce scénario (et dans d’autres bien plus complexes), les physiciens les traitent comme des groupes plutôt que comme des individus.
Pour avoir une idée plus réaliste du comportement des molécules individuelles selon le théorème de H, l’équipe de l’Argonne Lab a décidé de l’aborder à l’échelle quantique.
Pour ce faire, ils ont pris la théorie de l’information quantique, qui repose sur un ensemble de systèmes mathématiques abstraits, et l’ont appliquée à la physique de la matière condensée, pour aboutir à un nouveau modèle de théorème de H quantique.
“Cela nous a permis de formuler le H-théorème quantique tel qu’il se rapporte à des choses qui peuvent être observées physiquement”, explique l’ un des membres de l’équipe, Ivan Sadovskyy, dans un communiqué de presse.
“Il établit une connexion entre les processus de physique quantique bien documentés et les canaux quantiques théoriques qui constituent la théorie de l’information quantique.”
Ils affirment que dans le cadre de leur nouveau modèle de théorème H quantique, il y avait certaines circonstances dans lesquelles l’entropie pouvait effectivement diminuer – temporairement, du moins.
Ils comparent leurs résultats au démon de Maxwell, une expérience de pensée réalisée en 1867 par le physicien James Clerk Maxwell.
Maxwell a proposé que si un minuscule démon quantique était assis à la porte entre deux pièces tièdes et ne laissait passer que les particules se déplaçant à une certaine vitesse, il pourrait contrôler efficacement le flux de température, en faisant en sorte qu’une pièce se réchauffe tandis que l’autre se refroidit.
“Le démon ne laisserait passer que les choses chaudes dans un sens et les choses froides dans l’autre”, explique Thompson pour Popular Mechanics. “Essentiellement, le démon pouvait démélanger le mélange”
L’équipe d’Argonne Lab a maintenant poussé les choses un peu plus loin en proposant un modèle mathématique qui montre comment on pourrait créer un système quantique où il y a un “gain d’entropie négatif” temporaire – en d’autres termes, une diminution de l’entropie.
“Bien que la violation ne soit qu’à l’échelle locale, les implications sont d’une grande portée”, a déclaré l’un des membres de l’équipe, Valerii Vinokur. “Cela nous fournit une plate-forme pour la réalisation pratique d’un démon de Maxwell quantique, qui pourrait rendre possible une machine à mouvement perpétuel quantique locale.”
Il s’agit d’un concept de haut niveau – et profondément controversé – mais les chercheurs prévoient d’élargir leur équipe afin de pouvoir concevoir un système de preuve de concept basé sur leur modèle de théorème H quantique.
Nous devrons attendre et voir s’ils y parviennent.
La recherche a été publiée dans Scientific Reports.