énergie libre

Un piston dans un cylindre rempli de gaz se déplace généralement lorsque le gaz exerce une pression sur lui. Mais il existe un piston qui se déplace lorsqu'il y a du vide devant lui. Toutes les cinq secondes, il vérifie l'espace contre sa paroi, et si personne ne s'y trouve, il fait un pas vers l'intérieur, comprimant le gaz sans effort mécanique direct.

Un faisceau de protons dirigé vers une tumeur traverse les tissus mous comme un couteau dans du beurre, mais sa portée dépend des propriétés infimes de l'eau dont nous sommes principalement constitués. L'eau est le principal composant du corps, et c'est de la rapidité avec laquelle les protons y sont freinés que dépend l'endroit où ils déposent leur énergie.

Un interprète qui a mémorisé toutes les répliques à l'avance répond instantanément — il n'a pas besoin de réécouter toute la conversation. C'est le principe de ce nouveau modèle : il ne fait pas tourner les atomes dans l'ordinateur pendant des heures, mais fournit directement l'énergie libre du cristal à toute température et pression.

Le sol n'est pas une éponge homogène, mais un labyrinthe de pores de différentes tailles. Après une pluie, l'eau ne les remplit pas tous d'un coup : d'abord les plus étroits, puis les plus larges. Les physiciens ont construit une théorie de ce processus en s'appuyant sur une image simple : un ensemble de vases communicants.

En thermodynamique classique, les machines thermiques ressemblent à un virtuose sur scène : plus l'interprétation se rapproche de la perfection (rendement de Carnot), plus le tempo (puissance) ralentit.

La vieille question du démon de Maxwell — une créature intelligente peut-elle contourner la deuxième loi de la thermodynamique et pomper la chaleur du froid vers le chaud ? — trouve un nouvel écho dans le monde quantique.

Une casserole d'eau sur la cuisinière finit tôt ou tard par se calmer : la température s'uniformise, le liquide cesse de bouillonner. Les physiciens appellent cela l'équilibre thermique — l'état dans lequel l'énergie est répartie de la manière la plus probable.

Un thermostat maintient une pièce à 20 degrés. Ouvrez la fenêtre en hiver – il enclenche le chauffage pour rétablir l'équilibre. Le cerveau fait quelque chose de similaire : il prédit constamment ce qui va se passer l'instant d'après et se corrige s'il se trompe. C'est ainsi qu'il apprend.

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. De même, un trou noir, au repos dans le vide, peut rencontrer une onde gravitationnelle ou un nuage de gaz. Il ne reste pas indifférent : sa surface (l'horizon des événements) se déforme légèrement, comme une membrane tendue sous le poids d'une goutte.

L'eau peut être de la glace, du liquide ou de la vapeur. Les physiciens appellent ces états des phases. En théorie, chaque phase a sa propre mesure — une façon de décrire à quel point elle est probable. Mais toute mesure que l'on peut imaginer ne se rencontre pas dans la nature. Certaines phases sont réelles, d'autres ne sont qu'une illusion mathématique.

La musique repose sur la répétition : nous attendons que l'accent revienne, comme le refrain revient. Mais si l'on répète trop longtemps la même chose, l'ennui s'installe. Le compositeur semble marcher sur un fil tendu entre le familier et l'inattendu. Les scientifiques ont traduit cet équilibre dans le langage de la physique.

En général, le courant dans un métal agit comme de l'eau bouillante sur de la glace : il chauffe le matériau et détruit l'ordre magnétique. Mais dans une structure en couches composée de ditellurure de tungstène et du ferromagnétique Fe3GeTe2, le courant se comporte différemment.

L'eau, décomposée par l'électricité en hydrogène et en oxygène, est un vieux rêve de carburant propre. Mais de minuscules bulles de gaz se dressent sur le chemin : elles recouvrent les électrodes comme la mousse sur les parois d'un verre de soda, et empêchent le courant de faire son travail.

Un physicien qui analyse des collisions de particules passe généralement des semaines sur un travail fastidieux : nettoyer le bruit des données, estimer combien de faux signaux vont passer, revérifier chaque chiffre. Désormais, cette routine peut être confiée à un programme.

Une goutte de métal liquide glisse dans un canal étroit, comme le mercure d'un thermomètre cassé. Pas besoin de moteur : le carburant, c'est une réaction chimique avec le liquide environnant. Mais que se passe-t-il quand la goutte bute contre une paroi ?

Un trou noir enveloppé de matière noire ressemble à un tourbillon dans une eau invisible. Cette substance ne se trahit que par la gravité.

Un panneau solaire sur un toit produit peu de courant le matin, beaucoup à midi, et se tait la nuit. Le vent ne souffle pas non plus au hasard : il est souvent plus fort le matin et le soir que le jour. Les gestionnaires du réseau ont besoin de savoir à l'avance combien d'énergie sera disponible dans une heure ou trois, afin de démarrer les centrales de secours à temps ou de stocker l'électricité dans des batteries.

Une cellule, c'est une ville où des moteurs minuscules travaillent sans arrêt. Ils transportent des charges, font battre les cils et contractent les muscles. Tout ce travail dégage de la chaleur, comme un moteur de voiture qui chauffe. Mais mesurer cette chaleur pour un moteur individuel de quelques nanomètres n'est pas une mince affaire.

L'eau dans un verre se calme dès qu'on cesse de la remuer. L'huile dans un moteur amortit les vibrations. On croirait que la viscosité rime toujours avec atténuation. Mais dans certains écoulements, c'est tout le contraire : ajoutez du frottement, et les ondes se mettent à enfler, comme surgies de nulle part.

L'idée de l'expansion de l'univers, proposée par Georges Lemaître, trouve une analogie inattendue. L'espace se comporte comme un piston dans un cylindre : l'énergie noire le pousse, telle la vapeur.