Le zéro absolu est souvent considéré comme la température la plus froide possible. Mais maintenant, des chercheurs montrent qu’ils peuvent atteindre des températures encore plus basses pour un royaume étrange de « températures négatives »
Oddly, une autre façon de considérer ces températures négatives est de les considérer comme plus chaudes que l’infini, ont ajouté les chercheurs.
Cette avancée inhabituelle pourrait conduire à de nouveaux moteurs qui pourraient techniquement être plus de 100 % efficaces, et faire la lumière sur des mystères tels que l’énergie noire, la substance mystérieuse qui semble tirer notre univers vers le haut.
La température d’un objet est une mesure de la façon dont ses atomes se déplacent – plus un objet est froid, plus les atomes sont lents. À la température physiquement impossible à atteindre de zéro kelvin, soit moins 459,67 degrés Fahrenheit (moins 273,15 degrés Celsius), les atomes cesseraient de se déplacer. En tant que tel, rien ne peut être plus froid que le zéro absolu sur l’échelle de Kelvin.
Températures négatives de Bizarro
Pour comprendre les températures négatives que les scientifiques ont maintenant conçues, on pourrait penser que la température existe sur une échelle qui est en fait une boucle, et non linéaire. Les températures positives constituent une partie de la boucle, tandis que les températures négatives constituent l’autre partie. Lorsque les températures passent soit en dessous de zéro, soit au-dessus de l’infini sur la région positive de cette échelle, elles se retrouvent en territoire négatif.
Avec des températures positives, les atomes ont plus de chances d’occuper des états de basse énergie que des états de haute énergie, un schéma connu sous le nom de distribution de Boltzmann en physique. Lorsqu’un objet est chauffé, ses atomes peuvent atteindre des niveaux d’énergie plus élevés.
Au zéro absolu, les atomes occuperaient l’état d’énergie le plus bas. À une température infinie, les atomes occuperaient tous les états d’énergie. Les températures négatives sont alors l’inverse des températures positives – les atomes sont plus susceptibles d’occuper des états de haute énergie que des états de basse énergie.
« La distribution inversée de Boltzmann est la marque de la température absolue négative, et c’est ce que nous avons obtenu », a déclaré le chercheur Ulrich Schneider, physicien à l’Université de Munich en Allemagne. « Pourtant, le gaz n’est pas plus froid que zéro kelvin, mais plus chaud. Il est même plus chaud qu’à n’importe quelle température positive – l’échelle de température ne s’arrête tout simplement pas à l’infini, mais saute plutôt vers des valeurs négatives. »
Comme on pouvait s’y attendre, les objets à température négative se comportent de manière très étrange. Par exemple, l’énergie circule généralement des objets dont la température positive est plus élevée vers ceux dont la température positive est plus basse – c’est-à-dire que les objets plus chauds réchauffent les objets plus froids, et les objets plus froids refroidissent les plus chauds, jusqu’à ce qu’ils atteignent une température commune. Cependant, l’énergie circulera toujours des objets à température négative vers ceux à température positive. En ce sens, les objets à température négative sont toujours plus chauds que ceux à température positive.
Une autre conséquence étrange des températures négatives a trait à l’entropie, qui est une mesure du degré de désordre d’un système. Lorsque des objets à température positive libèrent de l’énergie, ils augmentent l’entropie des choses qui les entourent, ce qui les fait se comporter de manière plus chaotique. Cependant, lorsque des objets à température négative libèrent de l’énergie, ils peuvent en fait absorber l’entropie.
Les températures négatives seraient considérées comme impossibles, car il n’y a généralement pas de limite supérieure à la quantité d’énergie que les atomes peuvent avoir, pour autant que la théorie le suggère actuellement. (Il existe une limite à la vitesse à laquelle ils peuvent se déplacer – selon la théorie de la relativité d’Einstein, rien ne peut accélérer à des vitesses supérieures à celle de la lumière.)
Expérience de physique loufoque
Pour générer des températures négatives, les scientifiques ont créé un système où les atomes ont effectivement une limite à la quantité d’énergie qu’ils peuvent posséder. Ils ont d’abord refroidi environ 100 000 atomes à une température positive de quelques nanokelvins, soit un milliardième de kelvin. Ils ont refroidi les atomes dans une chambre à vide, qui les a isolés de toute influence environnementale susceptible de les réchauffer accidentellement. Ils ont également utilisé un réseau de faisceaux laser et de champs magnétiques pour contrôler très précisément le comportement de ces atomes, contribuant à les pousser dans un nouveau domaine de température.
« Les températures que nous avons atteintes sont des nanokelvins négatifs », a déclaré Schneider à LiveScience.
La température dépend de la quantité de mouvement des atomes – de leur énergie cinétique. Le réseau de faisceaux laser a créé un réseau parfaitement ordonné de millions de points lumineux, et dans ce « réseau optique », les atomes pouvaient toujours se déplacer, mais leur énergie cinétique était limitée.
La température dépend également de la quantité d’énergie potentielle des atomes, et de la quantité d’énergie qui réside dans les interactions entre les atomes. Les chercheurs ont utilisé le réseau optique pour limiter la quantité d’énergie potentielle des atomes, et ils ont utilisé des champs magnétiques pour contrôler très finement les interactions entre les atomes, les rendant soit attractives, soit répulsives.
La température est liée à la pression – plus quelque chose est chaud, plus il se dilate vers l’extérieur, et plus quelque chose est froid, plus il se contracte vers l’intérieur. Pour s’assurer que ce gaz avait une température négative, les chercheurs ont dû lui donner une pression négative également, en bricolant les interactions entre les atomes jusqu’à ce qu’ils s’attirent plus qu’ils ne se repoussent.
« Nous avons créé le premier état de température absolue négative pour des particules en mouvement », a déclaré le chercheur Simon Braun de l’Université de Munich en Allemagne.
De nouveaux types de moteurs
Les températures négatives pourraient être utilisées pour créer des moteurs thermiques – des moteurs qui convertissent l’énergie thermique en travail mécanique, comme les moteurs à combustion – qui sont efficaces à plus de 100 %, ce qui semble impossible. Ces moteurs n’absorberaient pas seulement l’énergie de substances plus chaudes, mais aussi de substances plus froides. En tant que tel, le travail effectué par le moteur pourrait être plus important que l’énergie prise dans la seule substance plus chaude.
Les températures négatives pourraient également aider à faire la lumière sur l’un des plus grands mystères de la science. Les scientifiques s’attendaient à ce que l’attraction gravitationnelle de la matière ralentisse l’expansion de l’univers après le Big Bang, pour finalement l’arrêter net ou même l’inverser pour un « Big Crunch ». Cependant, l’expansion de l’univers semble s’accélérer, une croissance accélérée qui, selon les cosmologistes, pourrait être due à l’énergie sombre, une substance encore inconnue qui pourrait constituer plus de 70 % du cosmos.
De la même manière, la pression négative du gaz froid créé par les chercheurs devrait le faire s’effondrer. Cependant, sa température négative l’empêche de le faire. En tant que telles, les températures négatives pourraient avoir des parallèles intéressants avec l’énergie sombre qui pourraient aider les scientifiques à comprendre cette énigme.
Les températures négatives pourraient également faire la lumière sur des états exotiques de la matière, générant des systèmes qui, normalement, pourraient ne pas être stables sans elles. « Une meilleure compréhension de la température pourrait conduire à de nouvelles choses auxquelles nous n’avons même pas encore pensé », a déclaré Schneider. « Quand on étudie les bases de manière très approfondie, on ne sait jamais où cela peut aboutir. »
Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes dans le numéro du 4 janvier de la revue Science.
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