Sciences · Physique
Le zéro absolu
Le zéro absolu est la température la plus basse concevable : 0 kelvin, soit −273,15 °C ou −459,67 °F. À cette limite, l’agitation thermique de la matière serait minimale ; on peut s’en approcher, jamais l’atteindre.
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Il n’existe pas de limite supérieure connue à la température — le cœur du Soleil dépasse 15 millions de degrés —, mais il en existe une inférieure : le zéro absolu. Ce n’est pas une température record parmi d’autres, c’est un plancher imposé par les lois de la physique.
Que signifie la température ?
La température mesure l'agitation microscopique des particules qui composent la matière : vibrations des atomes d’un solide, mouvements désordonnés des molécules d’un gaz. Plus on refroidit, plus cette agitation diminue. Le zéro absolu est l’état où elle serait la plus faible possible : on ne peut pas retirer davantage d’énergie thermique au système.
Contrairement à l’idée reçue, les particules ne deviennent pas totalement immobiles au zéro absolu. La mécanique quantique impose une énergie de point zéro : le principe d’incertitude interdit à une particule d’avoir à la fois une position et une vitesse parfaitement définies.
Comment a-t-on trouvé −273,15 °C ?
Au XVIIIe et au XIXe siècle, on observe qu’à volume constant, la pression d’un gaz diminue de façon régulière quand on le refroidit (lois de Charles et de Gay-Lussac). En prolongeant la droite, la pression s’annulerait vers −273 °C, quel que soit le gaz. En 1848, William Thomson, futur lord Kelvin, propose une échelle « absolue » qui part de ce point. L’unité de température du Système international porte son nom : le kelvin (K, sans « degré »).
Depuis 2019, le kelvin est défini en fixant la constante de Boltzmann à exactement 1,380 649 × 10⁻²³ J/K. La valeur de −273,15 °C pour 0 K découle de la définition du degré Celsius (voir conversion Celsius, Fahrenheit, Kelvin).
Pourquoi est-il impossible à atteindre ?
C’est l’objet du troisième principe de la thermodynamique, formulé par Walther Nernst à partir de 1906 : on ne peut pas atteindre le zéro absolu en un nombre fini d’étapes. Chaque opération de refroidissement retire une fraction de l’énergie restante, de plus en plus petite ; il faudrait une infinité d’opérations pour arriver à zéro. Le troisième principe affirme aussi que l’entropie d’un cristal parfait tend vers une valeur minimale à 0 K.
Les températures les plus basses
| Température | Repère |
|---|---|
| 273,15 K (0 °C) | Fusion de la glace |
| 184 K (−89,2 °C) | Record de froid mesuré à la station Vostok, Antarctique, 1983 |
| 77 K (−196 °C) | Ébullition de l’azote liquide |
| 20 K (−253 °C) | Ébullition de l’hydrogène liquide |
| 4,2 K (−269 °C) | Ébullition de l’hélium liquide |
| 2,7 K | Rayonnement fossile, température moyenne de l’Univers |
| environ 1 K | Nébuleuse du Boomerang, lieu naturel le plus froid connu |
| quelques millikelvins | Réfrigérateurs à dilution des laboratoires et ordinateurs quantiques |
| moins d’un milliardième de kelvin | Gaz d’atomes refroidis par laser et piégés, records de laboratoire |
Des phénomènes étonnants près du zéro absolu
La supraconductivité
En 1908, le Néerlandais Heike Kamerlingh Onnes liquéfie l’hélium. En 1911, il découvre qu’à 4,2 K le mercure perd toute résistance électrique : c’est la supraconductivité. Un courant peut alors circuler sans perte. Les supraconducteurs servent aux électroaimants des IRM et des accélérateurs de particules comme le LHC, refroidi à 1,9 K.
La superfluidité
Sous environ 2,17 K, l’hélium 4 liquide devient superfluide : il s’écoule sans aucune viscosité, remonte le long des parois de son récipient et traverse des pores trop fins pour un liquide ordinaire.
Le condensat de Bose-Einstein
Prédit par Satyendra Nath Bose et Albert Einstein en 1924-1925, cet état de la matière est obtenu en 1995 en refroidissant un gaz d’atomes à quelques centaines de nanokelvins. Les atomes se « fondent » dans un même état quantique et se comportent comme une seule onde de matière. Eric Cornell, Carl Wieman et Wolfgang Ketterle ont reçu le prix Nobel de physique 2001 pour cette réalisation.
Comment refroidit-on si bas ?
- Évaporation d’un liquide cryogénique (azote, hélium), comme la sueur qui refroidit la peau.
- Réfrigération à dilution, qui exploite le mélange des deux isotopes de l’hélium pour descendre à quelques millikelvins.
- Refroidissement laser : des faisceaux accordés finement ralentissent les atomes par absorption de photons (prix Nobel 1997, dont le Français Claude Cohen-Tannoudji).
- Désaimantation adiabatique, pour certains matériaux magnétiques.
Questions fréquentes
Combien vaut le zéro absolu en degrés Celsius ?
−273,15 °C exactement, soit 0 K et −459,67 °F.
Peut-on descendre en dessous du zéro absolu ?
Non au sens habituel. Certains systèmes quantiques très particuliers peuvent être décrits par une « température négative », mais c’est une propriété formelle : ces systèmes sont en réalité plus « chauds » que n’importe quelle température positive.
Pourquoi dit-on « kelvin » et non « degré kelvin » ?
Depuis 1967, l’unité s’appelle simplement le kelvin (K). Le degré Celsius, lui, garde le mot « degré » (°C).
Quelle est la température de l’espace ?
Loin des étoiles, le rayonnement fossile du Big Bang fixe une température d’environ 2,7 K (−270,4 °C). Un objet exposé au Soleil, en revanche, peut être très chaud.