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Posté par Adrien le Mardi 08/01/2013 à 00:00
Une température inférieure au zéro absolu
Dans l'échelle Kelvin, concernant les températures, la plus petite valeur possible est 0. Une température de 0 kelvin correspond à -273.15 °C et représente la valeur la plus basse théoriquement possible, elle est donc appelée le "zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des...) absolu" et caractérise une absence totale de mouvement à l'échelle atomique: la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) est figée.

Et pourtant, une équipe allemande de chercheurs de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Ludwig-Maximilian et du Max Planck Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un...), à Munich, déclare avoir obtenu expérimentalement un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper...) ayant une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) qui par définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) est inférieure au zéro absolu.

Pour comprendre comment les chercheurs sont arrivés à cet état de la matière (Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne définition de la phase d'un système est « une région de l'espace des paramètres thermodynamiques du système dans...), on peut imaginer de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) en train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou de plusieurs...) de bouillir. Pour faire bouillir de l'eau, on ajoute de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). L'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail nécessaire pour faire passer...) globale des molécules d'eau augmente, ces dernières se déplacent donc en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...) de plus en plus rapidement. Individuellement, les molécules ne possèdent pas toutes la même vitesse (On distingue :), certaines sont plus rapides que d'autres, et comme la nature favorise les états d'énergie les plus faibles, seulement une petite proportion des molécules possède une très grande vitesse, et le restant des molécules garde une vitesse faible. C'est ce qui est décrit mathématiquement par la distribution de Boltzmann, ou équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de...) de Boltzmann.

Les scientifiques déclarent avoir expérimentalement inversé la distribution de Boltzmann: dans leur gaz, une grande proportion des particules s'est retrouvée avec une grande énergie, et la petite proportion restante une faible énergie. Cette inversion de la distribution d'énergie peut s'interpréter comme une température absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol...) négative. Bien sûr, le gaz est dans ce cas non pas plus froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) que 0 kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non « Kelvin »).), mais extrêmement chaud. Selon Ulrich Schneider, "le gaz est tellement chaud, arrivant à une limite de température positive, l'échelle des températures n'augmente alors pas jusqu'à l'infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a pas de limite en nombre ou en taille.) mais bascule (Une bascule ou un basculeur est un circuit intégré logique doté d'une sortie et d'une ou plusieurs entrées. La sortie peut être au niveau logique 0 ou 1. Les changements d'état de la sortie sont déterminés par les signaux...) en territoire (La notion de territoire a pris une importance croissante en géographie et notamment en géographie humaine et politique, même si ce concept est utilisé par d'autres sciences humaines. Dans le...) négatif."

Il peut paraître étrange qu'une température absolue négative soit plus chaude qu'une température positive, mais selon les chercheurs il s'agit uniquement de la conséquence de la définition que nous avons de la température absolue. Si nous définissons différemment la notion de température absolue, alors la contradiction (Une contradiction existe lorsque deux affirmations, idées, ou actions s'excluent mutuellement.) disparaît.

Pour leur expérience, les chercheurs ont d'abord refroidi une centaine de milliers d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre....) dans une chambre à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) à une température de quelques milliardièmes de kelvin et les ont capturés dans un piège optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) fait avec des rayons lasers. Les atomes, piégés, ont alors leur énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) possédant une limite supérieure. La température n'est plus définie comme l'énergie cinétique, mais l'énergie totale des particules, qui inclue interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) et énergie potentielle. Le système possède une limite supérieure à cette énergie totale.

Les chercheurs ont ensuite amené une majorité d'atomes à cette limite supérieure, réalisant une inversion de la distribution de Boltzmann et par conséquent une température négative de quelques milliardièmes de kelvin selon la définition actuelle de la température absolue. Dans cet état, le système est stable.

Cette température induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité...) des conséquences qui peuvent paraître absurdes, comme une attraction qui s'opère entre les atomes dans le gaz mais sans provoquer d'effondrement, similaire à une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) négative.

Les conséquences de cet état, interprété comme une température inférieure au zéro absolu, pourraient permettre de comprendre l'énergie noire, cette force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) encore mystérieuse résistant à la gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), allant jusqu'à accélérer son expansion. Ces effets 'absurdes' observés dans l'expérience des chercheurs allemands sont en effet par certains aspects similaires à ce qui est observé dans le cadre de l'énergie noire.
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