22/01/2013 - Une température inférieure à zéro absolue

Menéame

Max Planck Institute of Quantum Optics - Dans l’échelle de température absolue, utilisée par les physiciens et connue sous le nom d’échelle Kelvin, Il n’est pas possible d’atteindre au-dessous du zéro - au moins pas dans le sens d’atteindre moins de zéro kelvin (-273,15 ou Centigrads ou Celsius).

Selon le sens physique de la température, la température d’un gaz est déterminée par le mouvement chaotique de ses particules - plus le gaz est froid, plus les particules sont lents. A zéro degré kelvin les particules cessent de bouger et tout le désordre disparaît. Par conséquent, Rien ne peut être plus froid que le zéro absolu sur l’échelle Kelvin.

Physiques de la Université Ludwig-Maximiliens de Munich (Ludwig-Maximilians University Munich) et le Institut Max Planck d’optique quantique (Max Planck Institute of Quantum Optics) à Garching, ont créé un gaz atomique dans le laboratoire qui, cependant, a atteint des valeurs kelvin négatifs. Ces températures absolues négatives ont plusieurs conséquences absurdes: bien que les atomes de gaz s’attirent entre eux et conduisent à une pression négative, le gaz ne s’effondre pas - un comportement qui est également proposé pour l’énergie sombre dans la cosmologie. Moteurs à chaleur prétendument impossibles, comme un moteur à combustion Avec une efficacité thermodynamique supérieure à 100%, ils peuvent également être réalisés à l’aide de températures absolues négatives.

Pour faire bouillir de l’eau, il faut de l’énergie. Au fur et à mesure que l’eau chauffe, les molécules augmentent leur énergie généalogique et se déplacent, en moyenne, de plus en plus rapidement. Mais quand même, les molécules isolées ont différentes énergies cinétiques - des très lents, aux très rapides. Les états de basse énergie sont plus susceptibles que ceux de plus grande énergie, c’est-à-dire, Seulement quelques particules bougent vraiment vite.. En physique, la distribution est appelée distribution de Boltzmann. Les physiciens qui travaillent avec Ulrich Schneider et Immanuel Bloch ont créé un gaz dans lequel cette distribution est totalement inversée: de nombreuses particules ont des énergies élevées et seulement quelques énergies basses. Cette inversion de la distribution d’énergie signifie que les particules ont pris une température absolue négative.

“La distribution de Boltzmann inversée est la marque de la température absolue négative; et c’est ce que nous avons réalisé." dit Ulrich Schneider. "Bien que le gaz ne soit pas plus froid que zéro kelvin, mais plus chaud" comme l’expliquent les physiciens: "Il est encore plus chaud que toute autre température positive - l’échelle de température ne se termine tout simplement pas dans un infini, mais plutôt saute à des valeurs négatives."

Une températurenégatif ne peut être atteint qu’avec une limite d’énergie supérieure

La signification d’une température absolue négative peut être mieux illustrée par des sphères tournantes dans un paysage montagneux, où les vallées jouent le rôle d’énergies potentielles basses et les sommets d’énergie haute. Plus les sphères se déplacent rapidement, plus leur énergie cinétique est élevée: si elles commencent par des températures positives et si l’énergie totale des sphères augmente en les chauffant, les sphères seront de plus en plus dispersées dans des régions à haute énergie. S’il était possible de chauffer les sphères à une température infinie, il y aurait une probabilité égale de les trouver à n’importe quel point du paysage, indépendamment de l’énergie potentielle. Si l’on pouvait maintenant ajouter plus d’énergie et donc chauffer les sphères encore plus, se réuniraient de préférence dans des états de haute énergie et seraient plus chauds qu’une température infinie. La distribution de Boltzmann serait inversée et nous aurions donc une température négative.

La première impression est qu’il peut sembler étrange qu’une température absolue négative soit plus chaude qu’une positive, cependant, C’est simplement une conséquence d’une définition historique de la température absolue, si elle était définie différemment, cette apparente contradiction n’existerait pas.

Cet investissement de la population des états d’énergie n’est pas possible dans l’eau, ni dans aucun autre système naturel, car le système devrait absorber une quantité infinie d’énergie, ce qui est impossible. Cependant, si les particules ont une limite d’énergie supérieure, comme le sommet de la colline dans le paysage d’énergie potentielle, la situation serait complètement différente. Les chercheurs du groupe de recherche d’Immanuel Bloch et d’Ulrich Schneider ont conçu ce système dans leur laboratoire avec un gaz atomique avec une limite d’énergie supérieure, en suivant les propositions théoriques de Allard Mosk y Achim Rosch.

Dans leur expérience, les scientifiques ont refroidi environ 100 000 atomes dans une chambre à vide à une température de quelques billions de Kelvin et les ont capturés dans des pièges optiques à faisceau laser. L’ultravide qui existe autour des atomes garantit qu’ils sont parfaitement isolés de l’environnement. Les faisceau laser créent ce qu’on appelle un réseau optique, dans lequel les atomes sont régulièrement réorganisés dans les positions du réseau. Dans ce réseau, les atomes peuvent encore se déplacer d’une position à l’autre grâce à effet tunnel, bien que son énergie cinétique ait une limite supérieure et qu’elle ait donc la limite d’énergie supérieure requise. La température, cependant, ne se rapporte pas seulement à l’énergie cinétique, mais à l’électricité totale des particules, ce qui, dans ce cas, inclut l’interaction et l’énergie potentielle. Le système des chercheurs de Munich et de Garching fixe également une limite aux deux. Les physiciens ont alors porté les atomes à cette limite supérieure de l’énergie totale - ce qui a permis d’obtenir une température négative, à moins de quelques mille millions de kelvins.

À température négative, un moteur peut faire plus de travail

Si les sphères ont une température positive et sont dans une vallée à leur énergie potentielle minimale, cet état est évidemment stable - c’est la nature telle que nous la connaissons. Si les sphères se situent au sommet d’une colline à leur énergie potentielle maximale, elles tourneront normalement vers le bas et, par conséquent, transformeront l’énergie potentielle en énergie cinétique. "Si les sphères sont à température négative, cependant, leur énergie généalogique sera si grande qu’elles ne peuvent pas augmenter plus," explique Simon Braun, étudiant en doctorat dans le groupe de recherche. "Les sphères ne peuvent pas rouler vers le bas, et restent au sommet de la colline. La limite d’énergie atteint ainsi maintenir le système stable!" L’état de température négatif dans votre expérience est effectivement aussi stable qu’un état de température positif. "Nous avons donc créé le premier état de température absolue négative pour les particules en mouvement," ajoute Braun.

La matière à températures absolues négatives a une gamme de conséquences étonnantes: avec votre aide, vous pourriez créer des moteurs à chaleur, tels que les moteurs à combustion, avec une efficacité supérieure à 100%. Cela n’implique toutefois pas que la loi sur la conservation de l’énergie soit violée. Au lieu de cela, le moteur pourrait non seulement absorber de l’énergie du milieu le plus chaud, et donc fonctionner, mais, contrairement à ce qui est normal, il pourrait aussi le faire d’un milieu plus froid.

À des températures purement positives, le milieu le plus froid est inévitablement chauffé, absorbant donc une partie de l’énergie du milieu le plus chaud et, de cette façon, en limitant l’efficacité. Si le milieu chaud a une température négative, il est possible d’absorber l’énergie des deux milieux simultanément.. Le travail réalisé par les moteurs est donc plus grand que l’énergie prise seulement du milieu chaud - et l’efficacité dépasse 100%.

L’accomplissement des physiciens de Munich pourrait également être intéressant pour la cosmologie, puisque le comportement thermodynamique de la température négative, montre des parallèles avec celle connue sous le nom d’énergie sombre. Les cosmologues proposent l’énergie noire comme une force insaisissable qui accélère l’expansion de l’univers bien que, en fait, le cosmos devrait être contracté en raison de l’attraction gravitationnelle entre toutes les masses. Il y a un phénomène similaire dans le nuage atomique du laboratoire de Munich: l’expérience dépend du fait que les atomes du gaz ne se repoussent pas comme dans un gaz normal, mais Ils interagissent de manière attrayante. Cela signifie que les atomes exercent plutôt une sorte de pression positive. En conséquence, le nuage d’atomes veut se contracter et devrait s’effondrer - comme on l’espérait de l’univers sous l’effet de la gravité. Mais en raison de sa température négative, cela n’arrive pas. Le gaz ne s’effondre pas, comme l’univers non plus..

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