Question de la semaine : peut-on aller en dessous du zéro absolu ?

[nasser]

Question de la semaine : peut-on aller en dessous du zéro absolu ?

"Est-ce possible d'aller en dessous du zéro kelvin, le zéro absolu ?", nous demande Outahar Lotfi sur notre page Facebook. Oui, puisqu'en 2013, des physiciens allemands sont parvenus à obtenir un gaz qui a atteint une température inférieure au zéro absolu, comme nous vous l'expliquons dans l'article ci-dessous initialement publié lors de l'annonce de cette découverte. Merci à tous pour votre participation à notre question de la semaine.

Rien ne peut être plus froid que le zéro absolu, c’est-à-dire -273,15 °Celsius ou 0 Kelvin (K). C’est l'un des piliers de la physique, qui correspond à l’état des particules au niveau d'énergie minimale. Cela se traduit par une totale immobilité au sens classique. Cependant, en dessous du zéro absolu, il peut exister des températures négatives, paradoxalement plus chaudes que n'importe quelle température positive ! C’est en tout cas ce que démontrait en 2013 Simon Braun de l'Université Ludwig-Maximilian (Allemagne) dans une étude publiée dans Science.

"La distribution de Boltzmann inversée est la marque d’une température absolue négative, et c'est ce que nous avons accompli"

Pour comprendre l’expérience qu’il a menée, il faut savoir que la température d’un corps, que ce soit dans l'air ou dans une casserole d'eau sur un réchaud, est proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne (au mouvement) des particules qui le composent. Mais toutes les particules n’ont pas la même énergie cinétique, celle-ci est distribuée. En fait la majorité des particules reste à un niveau d’énergie faible et un petit nombre seulement s’agite fortement, ce qui crée de la chaleur. En physique, cette répartition est appelée distribution de Boltzmann.

Cette équipe de scientifiques allemands a réussi à inverser la distribution de Boltzmann dans un gaz dont la température avoisinait les 0 K. Dans ce gaz, de nombreuses particules possèdent de hauts niveaux d’énergie et seulement quelques-unes sont immobiles (voir l'illustration ci-dessous). "La distribution de Boltzmann inversée est la marque d’une température absolue négative, et c'est ce que nous avons accompli", explique Ulrich Schneider, un des auteurs de l’étude. Pourtant, ce gaz n'est pas plus froid que zéro kelvin, mais plus chaud : "Il est encore plus chaud que n'importe quelle température positive. L’échelle de température n’est pas infinie, elle saute à la place à des valeurs négatives."

Illustration de la distribution de Boltzmann (normale et inversée). La distribution de Boltzmann peut être illustrée à l'aide de sphères réparties dans un paysage vallonné. À des températures positives (image de gauche), comme cela est courant dans la vie quotidienne, la plupart des sphères se trouvent dans la vallée avec une énergie potentielle minimale et s'agitent à peine, elles possèdent donc également une énergie cinétique minimale. Les états à faible énergie totale sont donc plus probables - c'est la distribution de Boltzmann normale. À une température infinie (image centrale), les sphères sont réparties uniformément sur les énergies basses et élevées. Ici, tous les états énergétiques sont probables. À des températures négatives (image de droite), cependant, la plupart des sphères se déplacent au sommet de la colline, à la limite supérieure de l'énergie potentielle. Leur énergie cinétique est également maximale. Les états énergétiques avec une énergie totale élevée se produisent donc plus fréquemment que ceux avec une énergie totale faible - la distribution de Boltzmann est inversée. © LMU and MPG Munich

Des applications étonnantes
Maintenir de la matière à une température absolue négative peut aboutir à des applications étonnantes, précisent les chercheurs. Ils imaginent ainsi un moteur à combustion avec une efficacité de plus de 100%. La réalisation des physiciens allemands pourrait aussi être utile en cosmologie, car le comportement de la matière à une température absolue négative présente des parallèles avec la mystérieuse énergie noire qui permet l’expansion de l’Univers.

========================== Par Joël Ignasse le 18.12.2020