Quand l'ordre émerge du désordre: un démon de Maxwell macroscopique

Publié par Adrien le 26/09/2022 à 09:00
Source: CNRS INP
Des scientifiques ont réalisé à l'échelle macroscopique un dispositif permettant d'extraire de l'énergie de fluctuations désordonnées. Ce type d'expériences fut imaginé au XIXème siècle par le physicien Maxwell pour montrer qu'à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) de ce qu'affirme la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...), l'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite en 1865 par Rudolf Clausius...) peut décroître, suscitant un long débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance,...), célèbre dans l'histoire de la physique (L'histoire de la physique essaie de retracer l'origine et l'évolution des idées, des...).


Figure 1: Le système est un gaz granulaire constitué de quelques centaines de billes d'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...) agitées verticalement par un vibreur dans une cellule cylindrique de 5cm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...). Un rotor constitué d'une pale (Une pale d'hélice (avion) ou de rotor (hélicoptère) est une surface portante en...) carrée peut tourner suivant un axe vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en...), sur l'axe de symétrie (De manière générale le terme symétrie renvoie à l'existence, dans une...) de la cellule. Ce rotor est fixé sur l'arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en...) d'un moteur/dynamo qui convertit sa vitesse angulaire (En physique, et plus spécifiquement en mécanique, la vitesse angulaire ω, aussi appelée...) en tension (La tension est une force d'extension.) électrique, analysée par un comparateur électronique qui joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) le rôle du démon.

Le mouvement perpétuel (Le mouvement perpétuel désigne l'idée d'un mouvement (généralement...) est depuis longtemps le domaine réservé des rêveurs et des artistes, car depuis le XIXème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...), les physiciens et physiciennes savent qu'un tel phénomène n'est pas possible. Les interactions des corps macroscopiques entre eux dissipent tôt ou tard leurs mouvements, ce que Clausius avait formalisé en 1865 en découvrant qu'une certaine grandeur, l'entropie, ne peut qu'augmenter dans les évolutions spontanées des systèmes isolés. À cette intuition géniale de Clausius manquait cependant un point (Graphie) fondamental: quelle était le contenu physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de cette grandeur, et que mesurait-elle au juste ?

Cette question fut une immense interrogation qui préoccupa les physiciens de la fin du XIXème siècle, jusqu'à ce que l'hypothèse atomique s'impose et avec elle les théories statistiques de Boltzmann et Gibbs. Dans cette histoire passionnante le nom de James Clerk Maxwell (James Clerk Maxwell (13 juin 1831 à Édimbourg, en Écosse -...), bien que plus connu pour avoir fondé l'électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude...) classique, apparaît de façon décisive. Fervent promoteur de l'hypothèse atomiste, il voulut démontrer que celle-ci entraîne nécessairement que l'entropie est une grandeur d'essence statistique (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle...) et informationnelle. À cette fin il imagina une expérience de pensée où une intelligence (le "démon de Maxwell (Le démon de Maxwell est un personnage imaginé originalement par James Clerk Maxwell pour mettre...)") est capable d'opérer à l'échelle microscopique et de trier les particules passant à sa portée, sans qu'aucune grandeur mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) macroscopique ne soit changée par ailleurs. Ce que faisant, Maxwell montra que son démon réussirait selon les versions à faire baisser l'entropie dans un système initialement équilibré, voire même à créer un mouvement perpétuel...


Figure 2: Comparaison de positions angulaires de la plaque pendant 1h, avec et sans l'action du démon (respectivement traces rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) et bleue). L'action du démon conduit à une rotation moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) non nulle de la plaque.

Pour répondre à l'objection de Maxwell, les physiciennes et physiciens ont progressivement compris que tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) système physique jouant effectivement le rôle du démon serait soumis lui aussi aux lois de la physique et que l'entropie calculée globalement pour intégrer ce dernier se conformerait aux lois prévues par Clausius. Ce débat, pendant longtemps uniquement théorique, a connu il y a dix ans un développement nouveau car en 2010 a été réussie pour la première fois une expérience réalisant l'idée de Maxwell, à un niveau cependant microscopique.

Une étape supplémentaire a été franchie très récemment, puisque des chercheurs et chercheuse du Laboratoire de Physique de l'École Normale Supérieure de Lyon (LPENSL, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) / ENS de Lyon) ont réussi pour la première fois à créer un démon de Maxwell à l'échelle macroscopique. Le système observé par le "démon" est une plaque reliée à un axe vertical autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) duquel elle peut tourner et qui est plongée dans un "gaz" de billes d'acier. Ce gaz est maintenu dans un état stationnaire par un vibreur agitant violemment le système dans la direction verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...) (cf. figure 1). La rotation de cette plaque entraîne une dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en...) qui convertit l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de rotation en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...). Le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) électrique est suivi et analysé en direct par un système électronique qui joue le rôle d'un démon qui n'extrait l'énergie produite que quand la rotation se fait dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) horaire.

Cette procédure est l'équivalent électrique du tri "informé" que pratique le démon imaginé par Maxwell. Elle permet aux scientifiques d'observer l'extraction de travail d'un système mimant au niveau macroscopique un système à l'équilibre, et d'étudier en détail ses caractéristiques. Cette violation de la thermodynamique n'est bien sûr qu'apparente, les auteurs et autrices insistant sur la très grande différence de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) entre celle, effective, du gaz de billes, et celle de l'électronique de suivi.

Ces résultats sont publiés dans les Physical Review Letters.

Références:
Human-Scale Brownian Ratchet: A Historical Thought Experiment.
M. Lagoin, C. Crauste-Thibierge, A. Naert, Physical Review Letters, paru le 15/09/2022.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.120606
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