Le zéro absolu est bien hors de portée

Le zéro absolu est bien hors de portée
Certains dispositifs nécessitent d’être refroidis, par exemple à l’aide d’azote liquide. Mais pourrait-on aller jusqu’au zéro absolu ? Il semble bien que non. Shutterstock.com/Kondor83

Un principe de la thermodynamique stipule qu’il est impossible de refroidir un système jusqu’à zéro kelvin, le zéro absolu. Deux chercheurs en ont obtenu une démonstration robuste et généralisée.

Le troisième principe de la thermodynamique, qui implique l’impossibilité de refroidir un système jusqu’au zéro absolu (–273,15 °C), a souvent été contesté faute d’une démonstration solide. Le sujet est d’autant plus crucial et d’actualité que la tendance à étudier des systèmes quantiques microscopiques amène à se poser la question de la définition de la température pour ces systèmes. En effet, de nombreux dispositifs quantiques requièrent d’être refroidis à des températures proches du zéro absolu, comme certains matériaux qui deviennent supraconducteurs à basse température. Cela a conduit les physiciens à repenser les principes de la thermodynamique, établis entre le XIXe et le XXe siècles. Mais si les deux premiers principes (conservation de l’énergie, irréversibilité des phénomènes physiques avec échange thermique) reposaient sur des fondations robustes, il n’en était pas autant du troisième principe. Lluís Masanes et Jonathan Oppenheim, de l’University College de Londres, ont proposé une nouvelle démonstration de ce principe qui a l’intérêt de se généraliser à des systèmes quantiques.

Le troisième principe de la thermodynamique a été formulé de diverses façons. En 1906, le physicien et chimiste allemand Walther Nernst l’énonce de la façon suivante : l’entropie (une grandeur qui caractérise le désordre du système) d’un système à zéro kelvin est une constante bien définie (et serait exactement nulle pour un cristal parfait). En 1912, il en donne une autre formulation, qui est une conséquence de la précédente : il n’existe aucune procédure capable de refroidir un système à zéro kelvin en un nombre fini d’étapes, donc dans un temps fini. Faute d’une preuve fondée sur des arguments fondamentaux, la validité de ce principe a souvent été contestée, notamment par Albert Einstein mais aussi par des physiciens proposant des protocoles de refroidissement.

L’approche adoptée par Lluís Masanes et Jonathan Oppenheim est d’exprimer la température du système que l’on veut refroidir en fonction de la durée, qui peut être atteinte indépendamment du protocole choisi (celui-ci peut être quantique). Pour l’établir, les deux chercheurs ont transposé le problème de la thermodynamique à celui de la théorie de l’information quantique. En effet, il existe de grandes similarités entre la notion d’entropie physique de la thermodynamique et d’entropie mathématique en théorie de l’information telle que développée par Claude Shannon et poursuivie par Andreï Kolmogorov. Les chercheurs ont comparé une machine thermique, qui refroidit un système en transférant son énergie dans un réservoir, à un ordinateur universel de Turing effectuant des calculs. Par cette procédure, ils ont pu quantifier de façon rigoureuse la température qui peut être atteinte en un temps fini.

Comme on peut s’y attendre, un système fixe, de taille finie, ne peut transférer qu’une certaine quantité d’énergie en un temps fini. Et en un temps fini, un tel système ne peut exploiter un réservoir de taille infinie pour y transférer son énergie. De plus, la vitesse de transfert diminue à mesure que la température se rapproche du zéro absolu, de sorte qu’il est impossible d’atteindre le zéro absolu. Les chercheurs confirment donc l’énoncé du troisième principe de la thermodynamique en consolidant et en généralisant sa démonstration.

Sean Bailly

Source : pourlascience.fr

Lamia Siffaoui
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