Après plus de 100 ans de débats, incluant notamment Albert Einstein en personne, les physiciens ont finalement démontré par une preuve mathématique s’appuyant sur le troisième principe de la thermodynamique, dont les conséquences stipulent que le zéro absolu (0 Kelvin, ou -273,15 °C) ne peut pas être atteint physiquement, car il est impossible que l’entropie d’un système soit totalement nulle.
Alors que les scientifiques ont longtemps soupçonné qu’il existe une limite de vitesse intrinsèque quant au refroidissement dans notre Univers, qui nous empêche d’atteindre le zéro absolu (soit -273,15 °C), c’est la plus grande preuve qui existe, démontrant que nos lois actuelles de la physique sont vraies, concernant la température la plus basse possible.
« Nous démontrons que vous ne pouvez pas refroidir un système jusqu’au zéro absolu avec une quantité finie de ressources, et nous sommes allés encore plus loin », explique un membre de l’équipe, Lluis Masanes, de l’University College London. « Nous avons conclu qu’il est impossible de refroidir un système au zéro absolu dans un temps fini, et nous avons établi une relation entre le temps et la température la plus basse possible. C’est la vitesse de refroidissement », ajoute-t-il.
Ce à quoi se réfère Masanes, sont les deux hypothèses fondamentales dont la validité du troisième principe de la thermodynamique dépend. La première est que pour atteindre le zéro absolu dans un système physique, l’entropie du système doit également atteindre zéro. La seconde est connue sous le nom de « principe d’inatteignabilité », qui stipule que le zéro absolu est physiquement inaccessible, car aucun système physique ne peut atteindre une température nulle (et donc une entropie nulle) en une quantité finie d’opérations.
La première règle a été proposée par le chimiste allemand Walther Nernst en 1906 déjà, et malgré le fait qu’elle lui ait valu l’obtention d’un prix Nobel de chimie, d’autres scientifiques connus, comme notamment Albert Einstein et Max Planck, n’étaient pas convaincus par la preuve qu’il proposait et ont élaboré leurs propres versions de la limite de refroidissement de l’Univers. Cela a donc amené Nernst à proposer la seconde règle en 1912, déclarant que le zéro absolu est physiquement impossible à atteindre.
Ensemble, ces deux lois sont maintenant reconnues comme étant la base du troisième principe de la thermodynamique. Depuis de nombreuses années, ce troisième principe a donné bien du fil à retordre aux scientifiques du monde entier. Mais étant donné que les précédents arguments en la matière ne portaient que sur des mécanismes spécifiques, certains scientifiques ne sont toujours pas convaincus de sa validité.
Afin de tester les hypothèses concernant la troisième loi de la thermodynamique dans les systèmes classiques et quantiques, Masanes et son collègue Jonathan Oppenheim ont décidé de tester s’il était mathématiquement possible d’atteindre le zéro absolu, en respectant les contraintes « temps fini » et « ressources finies ». Masanes compare cet acte de refroidissement à la computation : nous pouvons observer un ordinateur résoudre un algorithme et enregistrer combien de temps il implique pour le faire, et de la même manière, nous pouvons calculer combien de temps il faut à un système pour se refroidir à sa limite théorique, grâce aux étapes nécessaires qui le débarrassent de sa chaleur. La quantité de chaleur initiale du système, déterminera combien il faudra d’étapes pour l’en débarrasser totalement, et la taille du « réservoir » dans lequel cette chaleur sera déversée, limitera également la capacité de refroidissement.
C’est en utilisant des techniques mathématiques dérivées de la théorie de l’information quantique, une chose qu’Einstein avait énoncé dans ses propres formulations du troisième principe de la thermodynamique, que Masanes et Oppenheim ont découvert qu’il était uniquement possible d’atteindre le zézo absolu en effectuant une quantité infinie d’opérations, tout en bénéficiant d’un « réservoir » infini. C’est ce que les physiciens soupçonnent depuis longtemps car le deuxième principe de la thermodynamique stipule que la chaleur va spontanément passer d’un système plus chaud à un système plus froid, de sorte que l’objet que l’on tente de refroidir va constamment emmagasiner de la chaleur provenant de son environnement.
Et lorsqu’il y a une quelconque quantité de chaleur dans un objet, cela signifie qu’il y a forcément un mouvement thermique à l’intérieur, assurant de ce fait toujours un certain degré d’entropie. Cela explique pourquoi chaque chose dans l’Univers se déplace (même de manière totalement minime), car toujours selon le troisième principe de la thermodynamique, il n’existe rien qui soit totalement immobile.
Les chercheurs ont donc annoncé le taux théorique le plus rapide auquel nous pouvons réellement refroidir quelque chose. En d’autres termes, ils ont quantifié les étapes de refroidissement, leur permettant ainsi de définir la limite de « vitesse de refroidissement » d’un système pour un temps donné.
Et même si nous ne parviendrons jamais à atteindre le zéro absolu, nous pouvons tout de même nous en approcher, comme l’a démontré récemment la NASA, avec le Cold Atom Laboratory, qui est conçu pour geler des atomes de gaz à une température d’un milliardième de degré seulement au-dessus du zéro absolu. À ces températures, nous serons en mesure d’analyser des comportements atomiques peu communs qui n’ont jamais été observés auparavant. De plus, être en mesure d’éliminer autant de chaleur d’un système que possible, va certainement jouer un rôle crucial dans la course à la réalisation d’un ordinateur quantique fonctionnel.
« Ce travail est important – le troisième principe de la thermodynamique est l’une des questions fondamentales de la physique contemporaine – il relie la thermodynamique, la mécanique quantique et la théorie de l’information, c’est un point de rencontre pour beaucoup de choses », conclu Ronnie Kosloff, de l’Université de Jérusalem, qui n’a pas participé à l’étude.
Source : Nature Communications