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L'univers regorge d'extrêmes. Les plus rapides, les plus anciens, les plus lointains… il y a d'innombrables choses à explorer et à admirer, à contempler avec émerveillement devant les créations de la nature. Mais qu'en est-il des endroits les plus froids ? Vous avez probablement entendu parler du zéro absolu, mais savez-vous ce qui se passe lorsqu'on l'atteint ? Ou pourquoi il ne peut rien faire de plus froid ?
Le concept fondamental du zéro absolu a été découvert dès 1702. L'inventeur français Guillaume Amontons a émis l'hypothèse de l'existence d'une température minimale après avoir constaté la relation entre la pression atmosphérique et la température. Ses expériences l'ont amené à la conclusion qu'il devait exister un seuil en deçà duquel la pression ne pouvait plus diminuer, et donc la température non plus.
Amontons a proposé une température minimale possible de -240 °C. Sachant qu'il ne comprenait rien au mouvement atomique et que sa proposition remonte au début du XVIIIe siècle, il est assez impressionnant de constater à quel point il était proche de la vérité.
Ce n'est qu'en 1848 que le physicien William Thomson, plus connu sous le nom de Lord Kelvin, a défini l'échelle avec une précision suffisante et créé l'échelle Kelvin qui porte son nom. L'une de ses motivations était de créer une échelle de température absolue, cohérente et qui éliminerait le recours aux nombres négatifs. Partant de zéro, on ne peut que progresser.
Bien sûr, pour la plupart d'entre nous, au quotidien, l'échelle Kelvin paraît peu pratique et complexe. L'échelle Celsius, en revanche, est bien plus logique, puisqu'elle se base sur les points d'ébullition et de congélation de l'eau, notions compréhensibles par tous.
Heureusement pour nous, les scientifiques expérimentent constamment avec des températures extrêmes, simplement par curiosité, et de nombreuses recherches sont donc menées sur ce sujet. Installez-vous confortablement avec une boisson chaude et découvrons-le ensemble.
Physique du zéro absolu
L'histoire de l'humanité en matière d'unités de mesure, comme le pied, la corde, l'acre, etc., étant assez singulière, il nous a fallu du temps avant de développer un système cohérent et logique. Les échelles Celsius et Fahrenheit étaient répandues, mais c'est l'échelle Kelvin qui s'impose comme la référence. Le zéro absolu correspond à 0 Kelvin, la température la plus basse possible. Cela équivaut à -273 °C ou -459,67 °F.
Le froid est une propriété relative de toute substance, liée au mouvement de ses atomes. C'est pourquoi il a une limite et pourquoi la température la plus basse possible est le zéro absolu. À ce point, les atomes d'une substance cessent complètement de bouger ou s'en approchent au plus près, et le système thermodynamique possède son énergie minimale.
Cela ne signifie pas nécessairement que les atomes cessent complètement de bouger au zéro absolu, mais seulement que l'énergie atomique ne peut plus être transférée. Aucune quantité de chaleur, même infime et à peine mesurable, n'est libérée. Puisque la chaleur est libérée par le mouvement des atomes, et que ces atomes transfèrent cette énergie aux autres atomes avec lesquels ils entrent en contact, il n'y a pas de transfert de chaleur au zéro absolu.
Pour la plupart d'entre nous, le zéro absolu n'est qu'une broutille. Nous ne le découvrirons jamais dans la réalité, et même si c'était le cas, nous n'aurions guère le temps de l'apprécier, car il nous tuerait instantanément.
Dans des conditions de laboratoire où le zéro absolu est pratiquement atteint, les scientifiques ont observé des changements remarquables en physique. Par exemple, à des températures extrêmement basses, certaines substances s'écoulent vers le haut plutôt que vers le bas, défiant ainsi la gravité. Les réactions chimiques sont également soumises aux contraintes du froid.
Au zéro absolu, toute réaction chimique devrait théoriquement s'arrêter instantanément. À l'approche du zéro absolu, les scientifiques peuvent ralentir considérablement des réactions qui se produisent normalement en une fraction de seconde, ce qui leur permet d'observer et même de manipuler le processus réactionnel.
La science des températures ultra-froides nous permet d'observer des phénomènes tels que la mécanique quantique, inaccessibles aux températures ordinaires. C'est précisément ce qui rend ce domaine si passionnant pour les scientifiques : il leur permet d'étudier et d'observer certains des mécanismes fondamentaux qui sous-tendent l'existence des particules et des réactions dans l'Univers, et ce, d'une manière qui nous est visible.
L'endroit le plus froid de l'univers
Tout le monde sait que les profondeurs de l'espace sont incroyablement froides, mais le zéro absolu, lui, est tout simplement tiède. Dans les recoins les plus obscurs de l'espace, la température atteint 2,7 kelvins. Bien sûr, cela tuerait tout être vivant, car cela représente -270,45 °C ou -453,8 °F, mais on est encore très loin du zéro absolu.
Bien sûr, les températures dans l'espace ne sont pas uniformes. Les étoiles comme notre Soleil réchauffent l'atmosphère lorsqu'elles s'approchent ; pour atteindre des températures basses, il faut donc trouver un endroit isolé.
À 5 000 années-lumière de la Terre se trouve la nébuleuse du Boomerang. Composée de poussières et de gaz ionisants, elle est peut-être l'endroit naturel le plus froid au monde. En son centre, une géante rouge est en train de mourir et, tandis qu'elle perd toute sa matière stellaire à une vitesse astronomiquement élevée, environ 250 fois plus rapide qu'un avion de chasse F-16, elle perd également rapidement de la chaleur.
La température de la nébuleuse a été mesurée à environ un degré Celsius au-dessus du zéro absolu. À titre de comparaison, la température la plus froide jamais enregistrée sur Terre était de -89,2 °C (-128,6 °F) en 1983. Cela représente une température caniculaire de 183,95 kelvins. Cette température a été enregistrée à la station Vostok en Antarctique. Cela signifie que la température dans la nébuleuse est environ trois fois plus froide que ce qui a jamais été atteint sur Terre, ce qui paraît bien moins effrayant que ça ne l'est en réalité.
Est-il possible de créer le zéro absolu en laboratoire ?
L'un des aspects fascinants du zéro absolu est que les scientifiques sont parvenus à s'en approcher considérablement en laboratoire. Certains concepts scientifiques doivent rester hautement théoriques. Personne n'a encore réussi à créer un trou noir ni à concevoir le voyage dans le temps. Mais si l'on s'intéresse au zéro absolu, le meilleur résultat obtenu à ce jour est de 38 picokelvins, soit 38 billionièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Ce résultat a été obtenu en laissant tomber du gaz de rubidium magnétisé le long d'une tour dans un laboratoire allemand ; c'est précisément ainsi que sont produites aujourd'hui des substances extrêmement froides.
Bien que 38 parties par billion paraissent incroyablement proches, il est peu probable que nous nous en approchions beaucoup plus. Il est généralement admis que le zéro absolu est inatteignable en raison des fluctuations quantiques. La thermodynamique nous empêche également d'atteindre la température la plus basse possible, et nous y reviendrons plus tard.
Quant à l'humanité, un autre obstacle réside dans l'imperfection de la technologie. À un certain point, apparemment au-delà de 38 billionièmes de degré, nous ne pouvons tout simplement plus mesurer avec une précision suffisante pour affirmer avec certitude avoir atteint le zéro absolu parfait. Le zéro absolu et sa plus infime fraction seraient alors indiscernables des mesures de nos instruments.
Le problème des instruments de mesure est si grave qu'il a été suggéré que même si l'on parvenait à atteindre le zéro absolu, on pourrait ne pas s'en apercevoir en raison des imprécisions potentielles. Cela exigerait un thermomètre capable de mesurer la température avec une précision infinie, et un tel appareil n'existe évidemment pas ; nous ne pourrons donc jamais obtenir les mesures précises dont nous avons besoin.
Heureusement, de nombreux scientifiques travaillant dans ce domaine de recherche ne visent pas le zéro absolu. Ce sont les températures proches du zéro absolu qui présentent le plus grand intérêt, car elles permettent encore de très légers mouvements atomiques. Des réactions peuvent ainsi être observées, alors qu'au zéro absolu, il n'y aurait pratiquement rien à observer. C'est l'équivalent physique d'accumuler une grande quantité de matière sans aucun effet.
Bien que le concept de zéro absolu soit fascinant, il demeure théorique, et certains débattent encore de sa faisabilité technique. Cependant, la science ne partage pas toujours cet avis.
Pourquoi est-ce impossible ?
Neil deGrasse Tyson a avancé plusieurs explications quant à l'impossibilité d'atteindre le zéro absolu. Son premier argument repose sur le principe du transfert thermique, illustré par l'exemple d'un réfrigérateur. On place des aliments à température ambiante dans le réfrigérateur : l'air froid à l'intérieur leur absorbe la chaleur. Après tout, la chaleur existe, et le froid n'est que son absence. On retire cette énergie thermique à un objet, et il devient froid ; il est inutile d'y ajouter quoi que ce soit.
L'air froid du réfrigérateur absorbe donc la chaleur des aliments chauds jusqu'à ce que la température globale du réfrigérateur, du congélateur ou de tout autre lieu de dissipation de chaleur soit atteinte. Or, sur l'échelle Kelvin, le zéro absolu pose problème. Pour extraire la moindre trace de chaleur et atteindre le zéro absolu, il faudrait une température encore plus basse (cela commence vers 8 min 20 s dans la vidéo). Il faudrait une température encore plus basse pour pouvoir extraire cette ultime quantité de chaleur, presque imperceptible. Mais comment une telle chose pourrait-elle exister ?
Tyson poursuit son explication du second problème. Selon la physique quantique, il est impossible de connaître précisément la position des atomes au sein d'une particule. Des fluctuations quantiques doivent exister constamment, permettant à ces atomes de vibrer, même légèrement. Il doit exister une limite quantique, le zéro absolu, qui empêche les atomes de s'immobiliser complètement. Si tel était le cas, la position de chaque atome pourrait être déterminée avec précision, ce qui est tout simplement incompatible avec les lois de la physique.
En 1912, une hypothèse théorique fut formulée concernant l'impossibilité d'atteindre le zéro absolu dans un laps de temps fini. Il s'agit du principe d'inaccessibilité. Ce principe découle de la première thèse de Tyson, qui visait à trouver un moyen de réduire la contrainte thermique de la dernière fraction de degré nécessaire pour atteindre le zéro absolu.
Des expériences ont montré que refroidir un corps jusqu'au zéro absolu requiert soit un travail infini, soit un réservoir de refroidissement de taille infinie. Lorsqu'un corps tend vers le zéro absolu, son entropie tend également vers zéro, et, selon les lois de la physique, il est impossible de préparer un système à un état d'entropie nulle en un nombre fini d'étapes.
Une expérience a démontré que le zéro absolu est théoriquement atteignable, mais qu'il requiert trois éléments : le temps, la complexité et l'énergie. Le problème révélé par cette expérience est que l'atteinte du zéro absolu exige une quantité infinie de l'un de ces éléments. Tant que cette quantité est possible, l'objectif peut être atteint. Autrement dit, c'est impossible.
Que se passerait-il en théorie ?
On sait qu'à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu, un condensat de Bose-Einstein (BEC) se forme. Le BEC est considéré comme un état de la matière alternatif, mais il n'existe qu'à ces températures extrêmement basses. Il se forme lorsqu'un gaz est refroidi de manière excessive, ce qui provoque la fusion d'atomes ou de particules subatomiques en une entité quantique. Cela peut paraître de la science-fiction, mais concrètement, cela signifie que les atomes se comportent comme une seule fonction d'onde, comme s'ils avaient fusionné en un seul superatome.
Einstein, s'appuyant sur les formules de Bose, avait prédit ce phénomène plusieurs décennies avant qu'il ne soit démontré concrètement, mais il obéit aux lois de la mécanique quantique. Cependant, cela ne peut se produire qu'à basse température, car les atomes doivent avoir une énergie si faible qu'ils commencent à se déplacer de concert.
Si l'on pouvait transcender cet état de condensat de Bose-Einstein et atteindre le zéro absolu, la matière perdrait toute son énergie cinétique. En l'absence d'énergie cinétique, si les atomes étaient figés à l'état solide, ce que l'on observe ne pourrait plus être considéré comme de la matière. Or, la physique actuelle ne permet pas que la matière cesse simplement d'être de la matière.
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