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Le zéro absolu est bien hors de portée
Actualités

Le zéro absolu est bien hors de portée

Le troisième principe de la thermodynamique, qui implique l’impossibilité de refroidir un système jusqu’au zéro absolu (–273,15 °C), a souvent été contesté faute d’une démonstration solide. Le sujet est d’autant plus crucial et d’actualité que la tendance à étudier des systèmes quantiques microscopiques amène à se poser la question de la définition de la température pour ces systèmes. En effet, de nombreux dispositifs quantiques requièrent d’être refroidis à des températures proches du zéro absolu, comme certains matériaux qui deviennent supraconducteurs à basse température. Cela a conduit les physiciens à repenser les principes de la thermodynamique, établis entre le XIXe et le XXe siècles. Mais si les deux premiers principes (conservation de l’énergie, irréversibilité des phénomènes physiques avec échange thermique) reposaient sur des fondations robustes, il n’en était pas autant du troisième principe. Lluís Masanes et Jonathan Oppenheim, de l’University College de Londres, ont proposé une nouvelle démonstration de ce principe qui a l’intérêt de se généraliser à des systèmes quantiques.

Le troisième principe de la thermodynamique a été formulé de diverses façons. En 1906, le physicien et chimiste allemand Walther Nernst l'énonce de la façon suivante : l’entropie (une grandeur qui caractérise le désordre du système) d’un système à zéro kelvin est une constante bien définie (et serait exactement nulle pour un cristal parfait). En 1912, il en donne une autre formulation, qui est une conséquence de la précédente : il n’existe aucune procédure capable de refroidir un système à zéro kelvin en un nombre fini d’étapes, donc dans un temps fini. Faute d’une preuve fondée sur des arguments fondamentaux, la validité de ce principe a souvent été contestée, notamment par Albert Einstein mais aussi par des physiciens proposant des protocoles de refroidissement.

L’approche adoptée par Lluís Masanes et Jonathan Oppenheim est d’exprimer la température du système que l'on veut refroidir en fonction de la durée, qui peut être atteinte indépendamment du protocole choisi (celui-ci peut être quantique). Pour l’établir, les deux chercheurs ont transposé le problème de la thermodynamique à celui de la théorie de l’information quantique. En effet, il existe de grandes similarités entre la notion d’entropie physique de la thermodynamique et d’entropie mathématique en théorie de l’information telle que développée par Claude Shannon et poursuivie par Andreï Kolmogorov. Les chercheurs ont comparé une machine thermique, qui refroidit un système en transférant son énergie dans un réservoir, à un ordinateur universel de Turing effectuant des calculs. Par cette procédure, ils ont pu quantifier de façon rigoureuse la température qui peut être atteinte en un temps fini.

Comme on peut s’y attendre, un système fixe, de taille finie, ne peut transférer qu’une certaine quantité d’énergie en un temps fini. Et en un temps fini, un tel système ne peut exploiter un réservoir de taille infinie pour y transférer son énergie. De plus, la vitesse de transfert diminue à mesure que la température se rapproche du zéro absolu, de sorte qu’il est impossible d’atteindre le zéro absolu. Les chercheurs confirment donc l’énoncé du troisième principe de la thermodynamique en consolidant et en généralisant sa démonstration.


Source : Pour la science
Crédit : Shutterstock.com/Kondor83

Certains dispositifs nécessitent d’être refroidis, par exemple à l’aide d’azote liquide. Mais pourrait-on aller jusqu’au zéro absolu ? Il semble bien que non.

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Le zéro absolu est bien hors de portée

Le troisième principe de la thermodynamique, qui implique l’impossibilité de refroidir un système jusqu’au zéro absolu (–273,15 °C), a souvent été contesté faute d’une démonstration solide. Le sujet est d’autant plus crucial et d’actualité que la tendance à étudier des systèmes quantiques microscopiques amène à se poser la question de la définition de la température pour ces systèmes. En effet, de nombreux dispositifs quantiques requièrent d’être refroidis à des températures proches du zéro absolu, comme certains matériaux qui deviennent supraconducteurs à basse température. Cela a conduit les physiciens à repenser les principes de la thermodynamique, établis entre le XIXe et le XXe siècles. Mais si les deux premiers principes (conservation de l’énergie, irréversibilité des phénomènes physiques avec échange thermique) reposaient sur des fondations robustes, il n’en était pas autant du troisième principe. Lluís Masanes et Jonathan Oppenheim, de l’University College de Londres, ont proposé une nouvelle démonstration de ce principe qui a l’intérêt de se généraliser à des systèmes quantiques.

Le troisième principe de la thermodynamique a été formulé de diverses façons. En 1906, le physicien et chimiste allemand Walther Nernst l'énonce de la façon suivante : l’entropie (une grandeur qui caractérise le désordre du système) d’un système à zéro kelvin est une constante bien définie (et serait exactement nulle pour un cristal parfait). En 1912, il en donne une autre formulation, qui est une conséquence de la précédente : il n’existe aucune procédure capable de refroidir un système à zéro kelvin en un nombre fini d’étapes, donc dans un temps fini. Faute d’une preuve fondée sur des arguments fondamentaux, la validité de ce principe a souvent été contestée, notamment par Albert Einstein mais aussi par des physiciens proposant des protocoles de refroidissement.

L’approche adoptée par Lluís Masanes et Jonathan Oppenheim est d’exprimer la température du système que l'on veut refroidir en fonction de la durée, qui peut être atteinte indépendamment du protocole choisi (celui-ci peut être quantique). Pour l’établir, les deux chercheurs ont transposé le problème de la thermodynamique à celui de la théorie de l’information quantique. En effet, il existe de grandes similarités entre la notion d’entropie physique de la thermodynamique et d’entropie mathématique en théorie de l’information telle que développée par Claude Shannon et poursuivie par Andreï Kolmogorov. Les chercheurs ont comparé une machine thermique, qui refroidit un système en transférant son énergie dans un réservoir, à un ordinateur universel de Turing effectuant des calculs. Par cette procédure, ils ont pu quantifier de façon rigoureuse la température qui peut être atteinte en un temps fini.

Comme on peut s’y attendre, un système fixe, de taille finie, ne peut transférer qu’une certaine quantité d’énergie en un temps fini. Et en un temps fini, un tel système ne peut exploiter un réservoir de taille infinie pour y transférer son énergie. De plus, la vitesse de transfert diminue à mesure que la température se rapproche du zéro absolu, de sorte qu’il est impossible d’atteindre le zéro absolu. Les chercheurs confirment donc l’énoncé du troisième principe de la thermodynamique en consolidant et en généralisant sa démonstration.


Source : Pour la science
Crédit : Shutterstock.com/Kondor83

Certains dispositifs nécessitent d’être refroidis, par exemple à l’aide d’azote liquide. Mais pourrait-on aller jusqu’au zéro absolu ? Il semble bien que non.

LE GUIDE Naturellement

Agenda . . .

09 - Ariège

Le 15 février

FABRIQUE TA FLÈCHE ET TON PROPULSEUR !
    
Au coin du feu, vous vous transformerez en chasseur préhistorique ! Vous fabriquerezune flèche et un propulseur en bois avec les moyens disponibles au néolithique… Le tout se terminera par un bon goûter de chez nous !
Le samedi 15 février 2020 de 14h à 17h30. Sur inscription. 8,50 €/adulte – 7 €/enfant.

Au Pays des Traces
Ferme de Miguet
09190 Saint-Lizier    
05 61 66 47 98
www.paysdestraces.fr


Le 22 février

BALLADE EN RAQUETTE
À LA DÉCOUVERTE DES TRACES DANS LA NEIGE...

Venez découvrir la neige autrement. Vous apprendrez à lire la neige, à fabriquer un abri, à allumer un feu dans la neige ou interpréter des traces sur la neige...(Pique-nique tiré du sac).
Le samedi 22 février de 10h à 17h30. Sur inscription. 30 €/adulte & 25 €/enfant à partir de 12 ans. Location de raquettes : 5 €/personne.

Au Pays des Traces
Ferme de Miguet
09190 Saint-Lizier    
05 61 66 47 98
www.paysdestraces.fr


22 - Côtes d'Armor

Le 22 décembre

SEANCES AU PLANETARIUM DE BRETAGNE

A l'occasion du solstice, le Planétarium de Bretagne vous invite pour deux séances au tarif spécial de 4 €.  A 15h00 : "Les astres et les Marées". A 16h00 : "Le phénomène des saisons".

Planétarium de Bretagne
Parc du Radôme
22560 Pleumeur-Bodou
02 96 15 80 30
www.planetarium-bretagne.fr


Du 15 décembre au 15 mars 2020

EXPOSITION
"FRONDAISONS"
La fabrique d’un maquis de l’Argoat

Le pôle de l'Étang-Neuf présente l'oeuvre de Sophie Zénon, "Frondaisons", la fabrique de l'image d'un maquis de l'Argoat, une exposition de photographies et de vidéos.

Pôle de l'Étang-Neuf
22480 Saint-Connan
02 96 47 17 66
www.etangneufbretagne.com


25 - Doubs

Jusqu'au 5 janvier 2020

EXPOSITION
« LE MONDE DE JULES VERNE »

L’exposition présente le créateur et poète, évoque ses voyages extraordinaires d’un nouveau genre littéraire puis explore sa quête de l’ailleurs.
Gravures, affiches de cinéma, maquettes, dessins de reconstitutions des machines de Jules Verne, carte géante représentant les itinéraires des personnages…rythment le parcours de l’exposition.

Saline royale
Grande Rue
25610 Arc et Senans
www.salineroyale.com


Du 15 février au 3 mai 2020

EXPOSITION
« GEORGES FESSY ET LA PHOTOGRAPHIE »

Exposition en coproduction avec le Familistère de Guise. Georges Fessy et la photographie est une rétrospective présentée à travers plus d’une centaine de photographies qui traduit la diversité d’une vie de photographe : paysages, portraits, natures mortes, objets d’art, vues d’architectures.

Saline royale
Grande Rue
25610 Arc et Senans
www.salineroyale.com


30 - Gard

Jusqu'au 8 mars 2020

EXPOSITION
« FEU », l’expo brûlante de la rentrée au Pont du Gard

FEU conçue par Universcience qui propose d’explorer la thématique de la maîtrise du feu par l’humain. Accessible dès 9 ans, cette exposition rassemble des installations audiovisuelles, des dispositifs multimédia et des expériences interactives ainsi que de nombreux objets visant à enrichir la connaissance des visiteurs et à déconstruire les idées reçues.

Site du Pont du Gard
La Bégude
400 route du Pont du Gard
30210 Vers-Pont-du-Gard
04 66 37 50 99
www.pontdugard.fr


34 - Hérault

Jusqu'au 23 février 2020

EXPOSITION
Ensor, Magritte, Alechinsky...

L'exposition invite à un cheminement sensible sur les sentiers de l'art Belge à travers une sélection de chefsd’oeuvre des collections du Musée d'Ixelles (Bruxelles).

Musée de Lodève
square George Auric
34700 Lodève
04 67 88 86 10
www.museedelodeve.fr


37 - Indre-et-Loire

Les 7 et 14 décembre

CHATEAU ROYAL D'AMBOISE
CONCERTS

Samedi 7 décembre 2019 : concert avec l’Ensemble Les Salanganes de Tours, à 15h30. Inclus dans le droit d’entrée.
Samedi 14 décembre 2019 : Concert de chants de Noël avec la Chorale La cantilène, à 16h. Inclus dans le droit d’entrée.

Château royal d’Amboise
Montée de l’Emir Abd el Kader
37400 Amboise
02 47 57 00 98
www.chateau-amboise.com


Du 23 décembre au 5 janvier

CHATEAU ROYAL D'AMBOISE
"VISITE SPÉCIALE NOËL"

Tous les jours à 15h30, les petits visiteurs vont notamment pouvoir découvrir les traditions de Noël à travers les siècles dans le logis spécialement décoré (crèche napolitaine, sapins et exposition de jouets anciens.).
Visite commentée en français par un guide conférencier. Réservée aux enfants de 7 à 12 ans accompagnés de leur famille. Inclus dans le droit d’entrée au château. Durée : 1 heure.

Château royal d’Amboise
Montée de l’Emir Abd el Kader
37400 Amboise
02 47 57 00 98
www.chateau-amboise.com


39 - Jura

Du 20 janvier au 2 avril

ATELIERS
"L’ŒIL ET LA MAIN"

Le Musée de la Lunette organise  une visite de l’exposition temporaire « Les lunettes en voient de toutes les couleurs ». Les enfants découvriront l’utilisation de la couleur en lunetterie, ses principes et surtout son design inspirant ! Ils participeront par la suite à un atelier artistique animé par l’une de nos artistes plasticiennes. Cet atelier est à destination des scolaires, de la maternelle au collège.

Musée de la Lunette
Place Jean Jaurès
39400 Morez - Hauts de Bienne
03 84 33 39 30
www.musee-lunette.fr


50 - Manche

Jusqu'au 5 janvier 2020

EXPOSITION
"DÉTOURS EN COTENTIN"

Il y a sept ans, la famille du photographe Gustave Bazire (1893-1941) découvre 1 400 plaques de verre. Aujourd'hui, le Cotentin expose les vues de l'artiste.

Manoir du Tourp
Omonville-la-Rogue
50440 La Hague  
02 33 01 85 89
www.letourp.com


63 - Puy-de-Dôme

Janvier et février

"CLASSE NEIGE A PETITS PRIX"

Au Centre des Volcans propose un passeport Évasion Glacée à petits prix pour les derniers créneaux disponibles en janvier et février 2020.Venez découvrir les volcans sous la neige...

Au Centre des Volcans
Rue du Frère Genestier
63230 Pontgibaud
04 73 68 18 18 / 06 21 30 79 36
www.au-centre-des-volcans.fr


De janvier à mars

SEJOURS SCOLAIRES
"LES 4 ÉLÉMENTS" et "L'AUVERGNE DES NEIGES"

Des tarifs imbattables sur les séjours scolaires pour les mois de janvier, février et mars 2020 ! Séjours à réserver rapidement.

.Au Centre des Volcans
Rue du Frère Genestier
63230 Pontgibaud
04 73 68 18 18 / 06 21 30 79 36
www.au-centre-des-volcans.fr


78 - Yvelines

Du 11 au 24 décembre

ATELIERS CREATIFS
"HOLI'FARM'DAYS"

Les mercredis 11 et 18, et les lundi 23 et mardi 24 décembre, la Ferme de Grignon propose des ateliers créatifs, figurines de Noël pour les 3 à 8 ans. Durée de 1h à 1h30. Tarif : 5,50 € par enfant. 1 adulte accompagnateur gratuit. Réservation obligatoire.

Ferme de Grignon
Route de la Ferme
78850 Thiverval-Grignon
01 30 54 37 34
www.fermedegrignon.fr

Lieux:

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