Le troisième principe de la thermodynamique, qui suppose que le zéro absolu (0 Kelvin ou -273,15°C) ne peut être physiquement atteint, n’est plus une théorie. En effet, des physiciens l’ont finalement démontré par une preuve mathématique s’appuyant sur ce principe, affirmant qu’il est impossible que l’entropie d’un système soit totalement nulle. Une réponse qui vient clôturer plus de 100 ans de débats, incluant Albert Einstein lui-même.
Sur quoi s’appuient ces recherches ? Qu’en est-il du troisième principe de la thermodynamique ?
Une limite de vitesse intrinsèque au refroidissement dans notre Univers nous empêche d’atteindre le zéro absolu (soit -273,15 °C), c’est en tout cas ce que les scientifiques ont longtemps soupçonné. Aujourd’hui, ils en ont la certitude, avec la preuve mathématique que nos lois de la physique sont vraies quant à 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.
Pour être valide, le troisième principe de la thermodynamique dépend de deux hypothèses. La première est que pour atteindre le zéro absolu dans un système physique, l’entropie du système doit également atteindre zéro. La seconde, connue sous le nom de « principe d’inatteignabilité », 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.
Quand ces théories ont-elles vu le jour ? Comment sont-elles démontrées aujourd’hui ?
En 1906, le chimiste allemand Walther Nernst proposait une première règle, qui à l’époque lui avait valu un prix Nobel de chimie. Non convaincus de la preuve qu’il apportait, Albert Einstein et Max Planck ont élaboré leurs propres versions de la limite du refroidissement de l’Univers. En 1912, Nernst remet le couvert, déclarant que le zéro absolu est physiquement impossible à atteindre. Ces deux lois sont le fondement du troisième principe de la thermodynamique. 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.
Masanes et son collègue Jonathan Oppenheim ont décidé de tester s’il était mathématiquement possible d’atteindre le zéro absolu dans les systèmes classiques et quantiques, en respectant les contraintes « temps fini » et « ressources finies ». Cet acte de refroidissement peut être comparé à la computation, manière dont on calcule le temps.
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, après les étapes nécessaires le débarrassant 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.
Quelles sont les conclusions à tirer de cette découverte ?
Masanes et Oppenheim ont finalement découvert que le seul moyen d’atteindre le zéro absolu est d’effectuer une quantité infinie d’opérations tout en bénéficiant d’un « réservoir » infini. Ils ont utilisé des techniques mathématiques dérivées de la théorie de l’information quantique, comme Einstein avait pu l’énoncer dans ses propres formulations du troisième principe de la thermodynamique.
Cette réponse est sans surprise pour les physiciens, conformément au deuxième principe de la thermodynamique, qui stipule que la chaleur va spontanément passer d’un système plus chaud à un système plus froid, car l’objet que l’on tente de refroidir emmagasine constamment de la chaleur provenant de son environnement.
En parallèle, une quelconque quantité de chaleur dans un objet traduit forcément un mouvement thermique en son sein, assurant toujours un certain degré d’entropie. Cela explique pourquoi chaque chose dans l’Univers se déplace, le troisième principe de la thermodynamique démontrant qu’il n’existe rien qui soit totalement immobile. Les chercheurs ont donc quantifié les étapes de refroidissement, leur permettant ainsi de définir la limite de « vitesse de refroidissement » d’un système pour un temps donné.
« Une des questions fondamentales de la physique contemporaine »
« 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.
S’il est impossible d’atteindre le zéro absolu, la NASA a tout de même démontré que l’on peut s’en approcher avec le Cold Atom Laboratory, dont la température seulement à un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu, permet de geler des atomes de gaz. Ces températures pourraient permettre d’analyser des comportements atomiques peu communs jamais été observés auparavant. Enfin, la capacité d’éliminer autant de chaleur d’un système que possible, va certainement jouer un rôle crucial dans la conception d’un ordinateur quantique fonctionnel.
