[News] Une température inférieure au zéro absolu

L'étude des phénomènes naturels...

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Adrien
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[News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par Adrien » 08/01/2013 - 0:00:46

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 absolu » et caractérise une absence totale de mouvement à l’échelle atomique : la matière est figée.

Et pourtant, une équipe allemande de chercheurs de l’université Ludwig-Maximilian et du Max Planck Institut, à Munich, déclare avoir obtenu expérimentalement un gaz ayant une température qui par définition est inférieure au zéro absolu.

Pour comprendre comment les chercheurs sont arrivés à cet état de la matière, on peut imaginer de l’eau en train de bouillir. Pour faire bouillir de l’eau, on ajoute de l’énergie. L’énergie cinétique globale des molécules d’eau augmente, ces dernières se déplacent donc en moyenne de plus en plus rapidement. Individuellement, les molécules ne possèdent pas toutes la même vitesse, 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 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 négative. Bien sûr, le gaz est dans ce cas non pas plus froid que 0 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 mais bascule en territoire 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 disparaît.

Pour leur expérience, les chercheurs ont d’abord refroidi une centaine de milliers d’atomes dans une chambre à vide à une température de quelques milliardièmes de kelvin et les ont capturés dans un piège optique fait avec des rayons lasers. Les atomes, piégés, ont alors leur énergie cinétique possédant une limite supérieure. La température n’est plus définie comme l’énergie cinétique, mais l’énergie totale des particules, qui inclue interaction 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 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 négative.

Les conséquences de cet état, interprété comme une température inférieure au zéro absolu, pourraient permettre de comprendre l’énergie noire, cette force encore mystérieuse résistant à la gravitation dans l’Univers, 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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Vanos
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Re: [News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par Vanos » 08/01/2013 - 7:09:03

Cela me semble suspect de mauvaise interprétation ou d'erreur de mesure, un peu comme ces particules qui allaient plus vite que la lumière.
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eiffel
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Re: [News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par eiffel » 08/01/2013 - 9:06:08

+1 @Vanos

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buck
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Re: [News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par buck » 08/01/2013 - 9:45:13

-1 c'est une question de definition du zero absolue
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Re: [News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par cisou9 » 08/01/2013 - 10:08:33

:+1:
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.

Ce n'est physiquement pas mesurable, c'est plus un résultat mathématique que physique.
J'ai fais de la conduction thermique en très basse température. < 50mK. :_grat2:
Un homme est heureux tant qu'il décide de l'être et nul ne peux l'en empêcher.
Alexandre Soljenitsyne.

Kerrigan
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Re: [News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par Kerrigan » 08/01/2013 - 11:21:07

Cet article touche de près un côté vraiment dérangeant de la vulgarisation scientifique : les titres super racoleurs. Il faut attirer le lecteur alors on est prêt à mettre presque tout et n'importe quoi pour qu'il daigne lire l'article. "Paradoxe de l'inversion de population" ou "Paradoxe : un gaz très chaud peut posséder une température inférieure au zéro absolu" serait un peu moins accrocheur mais un peu plus proche des faits présentés. Beaucoup de gens se contentent de les lire sans aller fouiller les articles et les ravages dans la population sont proprement désastreux car nombre de personnes se retrouvent alors entretenues dans des convictions personnelles à la logique douteuse rendant de fait tout débat pour rétablir les faits absolument impossible. La démarche est donc totalement contre-productive et augure des soirées hivernales bien longues face à un auditoire aussi inculte que buté, persuadé d'avoir enfin la preuve scientifique que la Science Moderne est un mensonge et qu'il faut rapidement passer à autre chose nonobstant une éradication rigoureuse de toutes ces racailles menteuses que sont les physiciens de la planète.

D'autre part affirmer tout de go qu'une température inférieure au zéro a été obtenue requiert quand même un certain nombre de précautions qui n'ont pas été prises avec suffisamment de rigueur à mon sens. Je ressors de l'article avec un sentiment d'incompréhension manifeste. Il aurait vraiment été opportun de présenter l'équation de Boltzmann dont il est fait référence et de montrer qu'une inversion de population revient dans une certaine définition de la température à avoir une température inférieure au zéro absolu. Il aurait aussi été opportun d'affirmer qu'il existe plusieurs définition de la températures (thermodynamique, cinétique...) et bien circonscrire le cadre où une température négative peut-être définie par soucis de rigueur. C'est presque dit, mais pas assez fort et pas assez rigoureusement entretenant un genre de flou vraiment particulièrement désagréable. Pour moi l'article ne prend pas assez de précautions et plonge le lecteur dans l'embarras. La deux premières réactions en sont une preuve criante, les deux protagonistes sont complètement passés à côté de la notion développée. C'est quand même dommage, vos articles sont généralement d'un niveau satisfaisant.

Dernier point, n'étant pas physicien, je suis étonné de l'importance de l'article car des inversions de populations sont classiquement obtenues dans le fonctionnement de tout laser (il me semble...). D'autre part, dans la résonance magnétique nucléaire, des inversions de populations peuvent être obtenues (cette fois sur deux niveau et pas trois), des équations de Boltzmann y sont associées et pourtant on n'a jamais entendu parler de températures inférieures au zéro absolu dans ces domaines. Alors pourquoi en parle t'on cette fois ? Qu'elles sont les différences entre les trois expériences ? Est ce que le concept de température absolue négative est fondamentalement nouveau ou s'agit il d'une nouvelle manifestation dans un cas inédit ? Bref, j'espère vivement que quelqu'un pourra m'éclairer là dessus parce que franchement ce n'est pas clair du tout, je dirais même pas clair du tout du tout du tout.

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Eretol
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Re: [News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par Eretol » 08/01/2013 - 11:49:03

:) :+1:

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Re: [News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par Grumpf » 08/01/2013 - 11:49:18

Ah ben j'ai eu exactement la même réaction en voyant le titre. Je me suis dit aïe aïe encore une grosse clownerie... Exemple typique:

Science & Vie VS Scientific American (pour la science en FR). Rien qu'en regardant la couv on voit tout de suite la différence de ton.

Pareil pour les théories du Bing Bang et autre matières sombres. On a besoin d'outils pour modeler d'autres théories et pour ça donc d'artifices, c'est compréhensible. Mais entre un modèle à n dimensions utiles au matheux et un garçon coiffeur essayant de m'expliquer que les voyages dans des réalités parallèles ont étés découverts il y a une petite censure de pas assez...
faut pas boire et conduire en même temps c'est dangereux. On renverse.

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buck
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Re: [News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par buck » 08/01/2013 - 12:28:29

cool je me sens moins seul ;)
Kerrigan: on se place tout de meme a tres basse temperature ici ce qui n'est pas le cas dans les laser ou nucleaire en general ;)
De plus ici on n'y qu'une breve, ce qui ne vaut pas un article meme de science et vie et encore moins de la recherche ou mieux de Nature meme si c'est le resume du resume de l'article de Science ou Nature, on ne peut pas lui demander d'etre trop detaille (ce n'est pas 20 lignes a lire alors mais plutot 100-200 pages au moins)
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Re: [News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par Victor » 08/01/2013 - 12:57:53

la news devrait dire inversion de population anormale plutôt que de température négative
en MQ on parle souvent de distributions de populations anormales
En ce qui concerne la recherche en sciences, Je dirais: Cherche encore!

Kerrigan
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Re: [News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par Kerrigan » 08/01/2013 - 14:22:22

Ce n'est pas parce que c'est une brève que l'on a le droit d'écrire absolument n'importe quoi sans un minimum d'apport mathématique histoire de donner une contenance solide au sujet. La formule de Boltzmann pour deux niveaux, la définition de la température absolue avec cette formule et montrer alors que cette température est mathématiquement négative quand il y a inversion de population. Ce n'est pas furieusement violent. Quand on veut faire passer un message, surtout si ce dernier mêle nouveauté, abstraction et paradoxe, il faut faire son travail en entier et ne surtout pas balancer des résultats parcellaires qui en bout de compte rende l'article parfaitement incompréhensible auprès du public qui normalement aurait dû le comprendre. J'ai cherché un peu et ma chère amie wikipédia m'a fourni ceci :

z(T)=N/Ni*g(Ei)*exp(Ei/kbT) avec :

Z(T) la fonction de partition
N, le nombre de particules indicernables n'interagissant pas entre elle
Ni, le nombre de particules dans l'état d'énergie Ei
g(Ei) la dégénérescence de l'état d'énergie Ei, c'est à dire le nombre de configurations ayant cette énergie Ei


Mais limite tout ça n'est qu'un préambule dont on peut presque se passer si on vulgarise à fond car ce qui compte c'est la suite :

Dans un système à deux états d'énergie E1 et E2, avec E1<E2 contenant N particules qui n'interagissent pas entres elle, on a :
N2/N1=exp[(E1-E2)/kbT] et donc T=(E1-E2)/[kb*ln(N2/N1)] ; c'est la température de Boltzmann. Comme E1<E2, trivialement si N2>N1 alors T est négative.


Juste trois lignes et plus de détails ici

Problème, cette inversion de population est générale et peut concerner des populations de photons dans le cadre du fonctionnement du laser, des populations de spin dans le cadre de résonance magnétique nucléaire, des populations de molécules (dans le cas d'un gaz parfait si on veut rester rigoureux). Ce n'est donc pas nouveau, certes un peu abstrait mais en fait pas paradoxal du tout si on remet bien tous les concepts à leur place sans les mélanger au sein d'une même phrase.

Que voulait donc apporter notre vulgarisateur ? Avez vous vraiment compris ce qui était nouveau ? C'est le fait de réaliser l'inversion de population qui est juste super over-méga-chouette parce qu'en fait c'est juste hyper-méga-chaud-tendu de le faire ? S'il vous plait, éclairez moi !

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Asohan
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Re: [News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par Asohan » 08/01/2013 - 17:36:04

+1000 Kerrigan ! Ils ont piqué l'idée à l'inventeur du laser !

Dans un laser les niveaux d'énergie peuplés sont les niveaux primaires et non pas le niveau fondamental (justement de manière à avoir l'effet laser). Si on calcule une "température" pour un laser, elle sera alors très négative, même si c'est "virtuel".

Il y a aussi la question de l'échelle : dans un condensat de Bose-Einstein (= gaz d'atomes froid) ou la température des atomes est proche du zéro absolu, on peut changer d'échelle et regarder les nucléons des noyaux ou même mieux : les quarks et les gluons qui composent ces nucléons. Dans ce cas on peut toujours définir une autre "température" pour ces quarks et on trouve : plusieurs millions de milliards de degrés ! Il ne fait pas la même température en ville, dans son appartement et dans sa chambre. Tout est une question d'échelle.

Pour ceux qui me diront : on ne peut pas définir de température pour un petit nombre de particules ou pour un système hors-équilibre, je vous répond : oui, mais il y a un truc ... On peut simplement utiliser la notion de densité d'énergie et se placer dans un système de référence ou cette quantité ne varie pas trop (pseudo-équilibre), et on utilise l'équation d'état du système (= fonction qui fait la relation entre densité d’énergie et température). Il existe des équation d'état prévisible théoriquement et vérifiée expérimentalement pour de nombreux système : l'eau, les cristaux, ... et on essaye de vérifier les équations d'état de certains système très "exotiques" tels que le plasma de quarks et de gluons, les étoiles à neutrons, ...
... Pourquoi vivre sa vie dans un reflet ...

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Re: [News] Une température inférieure au zéro absolu

Message par Isabelle » 13/01/2013 - 18:42:54

Quelques messages hors sujet ont été retirés (La Modération)

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