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L'univers regorge d'extr\u00eames. Les plus rapides, les plus anciens, les plus lointains\u2026 il y a d'innombrables choses \u00e0 explorer et \u00e0 admirer, \u00e0 contempler avec \u00e9merveillement devant les cr\u00e9ations de la nature. Mais qu'en est-il des endroits les plus froids\u00a0? Vous avez probablement entendu parler du z\u00e9ro absolu, mais savez-vous ce qui se passe lorsqu'on l'atteint\u00a0? Ou pourquoi il ne peut rien faire de plus froid\u00a0?<\/p>\n
Le concept fondamental du z\u00e9ro absolu a \u00e9t\u00e9 d\u00e9couvert d\u00e8s 1702. L'inventeur fran\u00e7ais Guillaume Amontons a \u00e9mis l'hypoth\u00e8se de l'existence d'une temp\u00e9rature minimale apr\u00e8s avoir constat\u00e9 la relation entre la pression atmosph\u00e9rique et la temp\u00e9rature. Ses exp\u00e9riences l'ont amen\u00e9 \u00e0 la conclusion qu'il devait exister un seuil en de\u00e7\u00e0 duquel la pression ne pouvait plus diminuer, et donc la temp\u00e9rature non plus.<\/p>\n
Amontons a propos\u00e9 une temp\u00e9rature minimale possible de -240 \u00b0C. Sachant qu'il ne comprenait rien au mouvement atomique et que sa proposition remonte au d\u00e9but du XVIIIe si\u00e8cle, il est assez impressionnant de constater \u00e0 quel point il \u00e9tait proche de la v\u00e9rit\u00e9.<\/p>\n
Ce n'est qu'en 1848 que le physicien William Thomson, plus connu sous le nom de Lord Kelvin, a d\u00e9fini l'\u00e9chelle avec une pr\u00e9cision suffisante et cr\u00e9\u00e9 l'\u00e9chelle Kelvin qui porte son nom. L'une de ses motivations \u00e9tait de cr\u00e9er une \u00e9chelle de temp\u00e9rature absolue, coh\u00e9rente et qui \u00e9liminerait le recours aux nombres n\u00e9gatifs. Partant de z\u00e9ro, on ne peut que progresser.<\/p>\n
Bien s\u00fbr, pour la plupart d'entre nous, au quotidien, l'\u00e9chelle Kelvin para\u00eet peu pratique et complexe. L'\u00e9chelle Celsius, en revanche, est bien plus logique, puisqu'elle se base sur les points d'\u00e9bullition et de cong\u00e9lation de l'eau, notions compr\u00e9hensibles par tous.<\/p>\n
Heureusement pour nous, les scientifiques exp\u00e9rimentent constamment avec des temp\u00e9ratures extr\u00eames, simplement par curiosit\u00e9, et de nombreuses recherches sont donc men\u00e9es sur ce sujet. Installez-vous confortablement avec une boisson chaude et d\u00e9couvrons-le ensemble.<\/p>\n
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L'histoire de l'humanit\u00e9 en mati\u00e8re d'unit\u00e9s de mesure, comme le pied, la corde, l'acre, etc., \u00e9tant assez singuli\u00e8re, il nous a fallu du temps avant de d\u00e9velopper un syst\u00e8me coh\u00e9rent et logique. Les \u00e9chelles Celsius et Fahrenheit \u00e9taient r\u00e9pandues, mais c'est l'\u00e9chelle Kelvin qui s'impose comme la r\u00e9f\u00e9rence. Le z\u00e9ro absolu correspond \u00e0 0 Kelvin, la temp\u00e9rature la plus basse possible. Cela \u00e9quivaut \u00e0 -273 \u00b0C ou -459,67 \u00b0F.<\/p>\n
Le froid est une propri\u00e9t\u00e9 relative de toute substance, li\u00e9e au mouvement de ses atomes. C'est pourquoi il a une limite et pourquoi la temp\u00e9rature la plus basse possible est le z\u00e9ro absolu. \u00c0 ce point, les atomes d'une substance cessent compl\u00e8tement de bouger ou s'en approchent au plus pr\u00e8s, et le syst\u00e8me thermodynamique poss\u00e8de son \u00e9nergie minimale.<\/p>\n
Cela ne signifie pas n\u00e9cessairement que les atomes cessent compl\u00e8tement de bouger au z\u00e9ro absolu, mais seulement que l'\u00e9nergie atomique ne peut plus \u00eatre transf\u00e9r\u00e9e. Aucune quantit\u00e9 de chaleur, m\u00eame infime et \u00e0 peine mesurable, n'est lib\u00e9r\u00e9e. Puisque la chaleur est lib\u00e9r\u00e9e par le mouvement des atomes, et que ces atomes transf\u00e8rent cette \u00e9nergie aux autres atomes avec lesquels ils entrent en contact, il n'y a pas de transfert de chaleur au z\u00e9ro absolu.<\/p>\n
Pour la plupart d'entre nous, le z\u00e9ro absolu n'est qu'une broutille. Nous ne le d\u00e9couvrirons jamais dans la r\u00e9alit\u00e9, et m\u00eame si c'\u00e9tait le cas, nous n'aurions gu\u00e8re le temps de l'appr\u00e9cier, car il nous tuerait instantan\u00e9ment.<\/p>\n
Dans des conditions de laboratoire o\u00f9 le z\u00e9ro absolu est pratiquement atteint, les scientifiques ont observ\u00e9 des changements remarquables en physique. Par exemple, \u00e0 des temp\u00e9ratures extr\u00eamement basses, certaines substances s'\u00e9coulent vers le haut plut\u00f4t que vers le bas, d\u00e9fiant ainsi la gravit\u00e9. Les r\u00e9actions chimiques sont \u00e9galement soumises aux contraintes du froid.<\/p>\n
Au z\u00e9ro absolu, toute r\u00e9action chimique devrait th\u00e9oriquement s'arr\u00eater instantan\u00e9ment. \u00c0 l'approche du z\u00e9ro absolu, les scientifiques peuvent ralentir consid\u00e9rablement des r\u00e9actions qui se produisent normalement en une fraction de seconde, ce qui leur permet d'observer et m\u00eame de manipuler le processus r\u00e9actionnel.<\/p>\n
La science des temp\u00e9ratures ultra-froides nous permet d'observer des ph\u00e9nom\u00e8nes tels que la m\u00e9canique quantique, inaccessibles aux temp\u00e9ratures ordinaires. C'est pr\u00e9cis\u00e9ment ce qui rend ce domaine si passionnant pour les scientifiques\u00a0: il leur permet d'\u00e9tudier et d'observer certains des m\u00e9canismes fondamentaux qui sous-tendent l'existence des particules et des r\u00e9actions dans l'Univers, et ce, d'une mani\u00e8re qui nous est visible.<\/p>\n
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Tout le monde sait que les profondeurs de l'espace sont incroyablement froides, mais le z\u00e9ro absolu, lui, est tout simplement ti\u00e8de. Dans les recoins les plus obscurs de l'espace, la temp\u00e9rature atteint 2,7 kelvins. Bien s\u00fbr, cela tuerait tout \u00eatre vivant, car cela repr\u00e9sente -270,45 \u00b0C ou -453,8 \u00b0F, mais on est encore tr\u00e8s loin du z\u00e9ro absolu.<\/p>\n
Bien s\u00fbr, les temp\u00e9ratures dans l'espace ne sont pas uniformes. Les \u00e9toiles comme notre Soleil r\u00e9chauffent l'atmosph\u00e8re lorsqu'elles s'approchent\u00a0; pour atteindre des temp\u00e9ratures basses, il faut donc trouver un endroit isol\u00e9.<\/p>\n
\u00c0 5\u00a0000 ann\u00e9es-lumi\u00e8re de la Terre se trouve la n\u00e9buleuse du Boomerang. Compos\u00e9e de poussi\u00e8res et de gaz ionisants, elle est peut-\u00eatre l'endroit naturel le plus froid au monde. En son centre, une g\u00e9ante rouge est en train de mourir et, tandis qu'elle perd toute sa mati\u00e8re stellaire \u00e0 une vitesse astronomiquement \u00e9lev\u00e9e, environ 250 fois plus rapide qu'un avion de chasse F-16, elle perd \u00e9galement rapidement de la chaleur.<\/p>\n
La temp\u00e9rature de la n\u00e9buleuse a \u00e9t\u00e9 mesur\u00e9e \u00e0 environ un degr\u00e9 Celsius au-dessus du z\u00e9ro absolu. \u00c0 titre de comparaison, la temp\u00e9rature la plus froide jamais enregistr\u00e9e sur Terre \u00e9tait de -89,2 \u00b0C (-128,6 \u00b0F) en 1983. Cela repr\u00e9sente une temp\u00e9rature caniculaire de 183,95 kelvins. Cette temp\u00e9rature a \u00e9t\u00e9 enregistr\u00e9e \u00e0 la station Vostok en Antarctique. Cela signifie que la temp\u00e9rature dans la n\u00e9buleuse est environ trois fois plus froide que ce qui a jamais \u00e9t\u00e9 atteint sur Terre, ce qui para\u00eet bien moins effrayant que \u00e7a ne l'est en r\u00e9alit\u00e9.<\/p>\n
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L'un des aspects fascinants du z\u00e9ro absolu est que les scientifiques sont parvenus \u00e0 s'en approcher consid\u00e9rablement en laboratoire. Certains concepts scientifiques doivent rester hautement th\u00e9oriques. Personne n'a encore r\u00e9ussi \u00e0 cr\u00e9er un trou noir ni \u00e0 concevoir le voyage dans le temps. Mais si l'on s'int\u00e9resse au z\u00e9ro absolu, le meilleur r\u00e9sultat obtenu \u00e0 ce jour est de 38 picokelvins, soit 38 billioni\u00e8mes de degr\u00e9 au-dessus du z\u00e9ro absolu. Ce r\u00e9sultat a \u00e9t\u00e9 obtenu en laissant tomber du gaz de rubidium magn\u00e9tis\u00e9 le long d'une tour dans un laboratoire allemand\u00a0; c'est pr\u00e9cis\u00e9ment ainsi que sont produites aujourd'hui des substances extr\u00eamement froides.<\/p>\n
Bien que 38 parties par billion paraissent incroyablement proches, il est peu probable que nous nous en approchions beaucoup plus. Il est g\u00e9n\u00e9ralement admis que le z\u00e9ro absolu est inatteignable en raison des fluctuations quantiques. La thermodynamique nous emp\u00eache \u00e9galement d'atteindre la temp\u00e9rature la plus basse possible, et nous y reviendrons plus tard.<\/p>\n
Quant \u00e0 l'humanit\u00e9, un autre obstacle r\u00e9side dans l'imperfection de la technologie. \u00c0 un certain point, apparemment au-del\u00e0 de 38 billioni\u00e8mes de degr\u00e9, nous ne pouvons tout simplement plus mesurer avec une pr\u00e9cision suffisante pour affirmer avec certitude avoir atteint le z\u00e9ro absolu parfait. Le z\u00e9ro absolu et sa plus infime fraction seraient alors indiscernables des mesures de nos instruments.<\/p>\n
Le probl\u00e8me des instruments de mesure est si grave qu'il a \u00e9t\u00e9 sugg\u00e9r\u00e9 que m\u00eame si l'on parvenait \u00e0 atteindre le z\u00e9ro absolu, on pourrait ne pas s'en apercevoir en raison des impr\u00e9cisions potentielles. Cela exigerait un thermom\u00e8tre capable de mesurer la temp\u00e9rature avec une pr\u00e9cision infinie, et un tel appareil n'existe \u00e9videmment pas\u00a0; nous ne pourrons donc jamais obtenir les mesures pr\u00e9cises dont nous avons besoin.<\/p>\n
Heureusement, de nombreux scientifiques travaillant dans ce domaine de recherche ne visent pas le z\u00e9ro absolu. Ce sont les temp\u00e9ratures proches du z\u00e9ro absolu qui pr\u00e9sentent le plus grand int\u00e9r\u00eat, car elles permettent encore de tr\u00e8s l\u00e9gers mouvements atomiques. Des r\u00e9actions peuvent ainsi \u00eatre observ\u00e9es, alors qu'au z\u00e9ro absolu, il n'y aurait pratiquement rien \u00e0 observer. C'est l'\u00e9quivalent physique d'accumuler une grande quantit\u00e9 de mati\u00e8re sans aucun effet.<\/p>\n
Bien que le concept de z\u00e9ro absolu soit fascinant, il demeure th\u00e9orique, et certains d\u00e9battent encore de sa faisabilit\u00e9 technique. Cependant, la science ne partage pas toujours cet avis.<\/p>\n
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Neil deGrasse Tyson a avanc\u00e9 plusieurs explications quant \u00e0 l'impossibilit\u00e9 d'atteindre le z\u00e9ro absolu. Son premier argument repose sur le principe du transfert thermique, illustr\u00e9 par l'exemple d'un r\u00e9frig\u00e9rateur. On place des aliments \u00e0 temp\u00e9rature ambiante dans le r\u00e9frig\u00e9rateur\u00a0: l'air froid \u00e0 l'int\u00e9rieur leur absorbe la chaleur. Apr\u00e8s tout, la chaleur existe, et le froid n'est que son absence. On retire cette \u00e9nergie thermique \u00e0 un objet, et il devient froid\u00a0; il est inutile d'y ajouter quoi que ce soit.<\/p>\n
L'air froid du r\u00e9frig\u00e9rateur absorbe donc la chaleur des aliments chauds jusqu'\u00e0 ce que la temp\u00e9rature globale du r\u00e9frig\u00e9rateur, du cong\u00e9lateur ou de tout autre lieu de dissipation de chaleur soit atteinte. Or, sur l'\u00e9chelle Kelvin, le z\u00e9ro absolu pose probl\u00e8me. Pour extraire la moindre trace de chaleur et atteindre le z\u00e9ro absolu, il faudrait une temp\u00e9rature encore plus basse (cela commence vers 8 min 20 s dans la vid\u00e9o). Il faudrait une temp\u00e9rature encore plus basse pour pouvoir extraire cette ultime quantit\u00e9 de chaleur, presque imperceptible. Mais comment une telle chose pourrait-elle exister\u00a0?<\/p>\n
Tyson poursuit son explication du second probl\u00e8me. Selon la physique quantique, il est impossible de conna\u00eetre pr\u00e9cis\u00e9ment la position des atomes au sein d'une particule. Des fluctuations quantiques doivent exister constamment, permettant \u00e0 ces atomes de vibrer, m\u00eame l\u00e9g\u00e8rement. Il doit exister une limite quantique, le z\u00e9ro absolu, qui emp\u00eache les atomes de s'immobiliser compl\u00e8tement. Si tel \u00e9tait le cas, la position de chaque atome pourrait \u00eatre d\u00e9termin\u00e9e avec pr\u00e9cision, ce qui est tout simplement incompatible avec les lois de la physique.<\/p>\n
En 1912, une hypoth\u00e8se th\u00e9orique fut formul\u00e9e concernant l'impossibilit\u00e9 d'atteindre le z\u00e9ro absolu dans un laps de temps fini. Il s'agit du principe d'inaccessibilit\u00e9. Ce principe d\u00e9coule de la premi\u00e8re th\u00e8se de Tyson, qui visait \u00e0 trouver un moyen de r\u00e9duire la contrainte thermique de la derni\u00e8re fraction de degr\u00e9 n\u00e9cessaire pour atteindre le z\u00e9ro absolu.<\/p>\n
Des exp\u00e9riences ont montr\u00e9 que refroidir un corps jusqu'au z\u00e9ro absolu requiert soit un travail infini, soit un r\u00e9servoir de refroidissement de taille infinie. Lorsqu'un corps tend vers le z\u00e9ro absolu, son entropie tend \u00e9galement vers z\u00e9ro, et, selon les lois de la physique, il est impossible de pr\u00e9parer un syst\u00e8me \u00e0 un \u00e9tat d'entropie nulle en un nombre fini d'\u00e9tapes.<\/p>\n
Une exp\u00e9rience a d\u00e9montr\u00e9 que le z\u00e9ro absolu est th\u00e9oriquement atteignable, mais qu'il requiert trois \u00e9l\u00e9ments : le temps, la complexit\u00e9 et l'\u00e9nergie. Le probl\u00e8me r\u00e9v\u00e9l\u00e9 par cette exp\u00e9rience est que l'atteinte du z\u00e9ro absolu exige une quantit\u00e9 infinie de l'un de ces \u00e9l\u00e9ments. Tant que cette quantit\u00e9 est possible, l'objectif peut \u00eatre atteint. Autrement dit, c'est impossible.<\/p>\n
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On sait qu'\u00e0 des temp\u00e9ratures extr\u00eamement basses, proches du z\u00e9ro absolu, un condensat de Bose-Einstein (BEC) se forme. Le BEC est consid\u00e9r\u00e9 comme un \u00e9tat de la mati\u00e8re alternatif, mais il n'existe qu'\u00e0 ces temp\u00e9ratures extr\u00eamement basses. Il se forme lorsqu'un gaz est refroidi de mani\u00e8re excessive, ce qui provoque la fusion d'atomes ou de particules subatomiques en une entit\u00e9 quantique. Cela peut para\u00eetre de la science-fiction, mais concr\u00e8tement, cela signifie que les atomes se comportent comme une seule fonction d'onde, comme s'ils avaient fusionn\u00e9 en un seul superatome.<\/p>\n
Einstein, s'appuyant sur les formules de Bose, avait pr\u00e9dit ce ph\u00e9nom\u00e8ne plusieurs d\u00e9cennies avant qu'il ne soit d\u00e9montr\u00e9 concr\u00e8tement, mais il ob\u00e9it aux lois de la m\u00e9canique quantique. Cependant, cela ne peut se produire qu'\u00e0 basse temp\u00e9rature, car les atomes doivent avoir une \u00e9nergie si faible qu'ils commencent \u00e0 se d\u00e9placer de concert.<\/p>\n
Si l'on pouvait transcender cet \u00e9tat de condensat de Bose-Einstein et atteindre le z\u00e9ro absolu, la mati\u00e8re perdrait toute son \u00e9nergie cin\u00e9tique. En l'absence d'\u00e9nergie cin\u00e9tique, si les atomes \u00e9taient fig\u00e9s \u00e0 l'\u00e9tat solide, ce que l'on observe ne pourrait plus \u00eatre consid\u00e9r\u00e9 comme de la mati\u00e8re. Or, la physique actuelle ne permet pas que la mati\u00e8re cesse simplement d'\u00eatre de la mati\u00e8re.<\/p>\n
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