thermodynamique de l'information

Un faisceau laser frappe une fine cible cachée à l'intérieur de couches d'un autre matériau. En quelques milliardièmes de seconde, la matière est comprimée jusqu'à une densité de 25 grammes par centimètre cube — c'est comme si un morceau de plomb devenait plus de deux fois plus lourd tout en restant en place.

Un ordinateur classique calcule en faisant circuler des charges électriques dans des fils. Mais peut-on calculer avec la chaleur ? Un réseau de tubes parcourus par de l'eau chaude et froide peut effectuer des opérations logiques simples si l'on connecte les tubes dans le bon ordre.

Dans le monde quantique, un fait devient objectif lorsque sa valeur s'imprime dans de nombreux fragments indépendants de l'environnement — comme une annonce placardée sur des centaines de panneaux à travers la ville. Chaque copie, prise séparément, n'apporte aucune information nouvelle, mais elle change les règles du jeu pour celui qui tente d'effacer ces informations.

Le thé chaud refroidit, la glace fond — la chaleur passe toujours du chaud au froid, et cette loi semblait inébranlable. Mais dans le monde quantique, même les règles familières peuvent être réécrites.

À l'intérieur de chaque cellule, la logistique bat son plein : de minuscules moteurs protéiques, tels des coursiers, transportent des cargaisons le long d'un réseau de microtubules. L'un des principaux travailleurs est la kinésine, qui avance grâce à l'énergie de l'ATP (la principale monnaie énergétique de la cellule).

Les lentilles et miroirs en verre semblent parfaitement lisses et immobiles. Mais à l'intérieur, une vie cachée bouillonne. Dans un matériau amorphe (une substance sans réseau cristallin), les atomes sont empilés de manière désordonnée, et ce désordre crée un paysage énergétique complexe — comme un pays montagneux…

Un courant océanique large de plusieurs centaines de kilomètres vit sa propre vie, se nourrissant de l'énergie de minuscules remous. Dans l'atmosphère, quelque chose de similaire se produit : les petites turbulences cèdent leur puissance aux immenses flux d'air.

Imaginez l'eau comme une salle de bal où chaque molécule est un danseur qui s'engage dans des unions éphémères. Ces liaisons hydrogène créent des motifs locaux : certains évoquent une valse guindée — un réseau ordonné avec des vides (structure de basse densité) —, d'autres un jitterbug endiablé, où les partenaires se serrent en amas denses et chaotiques.

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.

Un puissant sèche-cheveux qui souffle non pas de l'air chaud, mais du plasma chauffé à blanc : c'est ce qu'on appelle une soufflerie à plasma. Elles servent à tester sur Terre la rentrée atmosphérique d'un vaisseau spatial.

Si vous écrivez la recette d'une protéine sur une feuille et que vous la donnez à imprimer, une faute de frappe sur une seule lettre peut gâcher tout le tirage. La cellule est confrontée au même problème lorsqu'elle copie son ADN — une longue instruction composée de quatre « lettres » chimiques.

Une bouilloire refroidit sur la table. La chaleur s'échappe dans l'air, et c'est du gaspillage. Pourtant, on pourrait en tirer un peu d'électricité. Les dispositifs capables de cela s'appellent des générateurs thermomagnétiques. À l'intérieur, pas de pistons ni de turbines, seulement un matériau qui modifie ses propriétés magnétiques lorsqu'il est chauffé ou refroidi.

Le plasma cosmique n'est pas un gaz calme, mais une soupe bouillonnante de particules chargées, traversée par des champs magnétiques. Ces champs se comportent comme des élastiques tendus : parfois ils se déchirent et se reconnectent aussitôt, mais d'une manière différente.

La surface d'Europe est une armure de glace sans cesse mitraillée par des particules chargées provenant de la magnétosphère de Jupiter. Les électrons percutent le réseau cristallin de la glace, perdent de l'énergie et déclenchent des réactions chimiques.

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.

Les systèmes physiques savent calculer. Si l'on construit un paysage de collines et de creux de sorte que le point le plus bas corresponde à la réponse, le système y glissera tout seul, comme une bille. Le problème, c'est qu'au fond, la pente est souvent douce et la bille met du temps à errer avant de se figer. Les auteurs de l'étude proposent de pousser la bille dans la bonne direction avant même le départ.

Une casserole d'eau sur la cuisinière, c'est juste de l'eau, mais à l'intérieur de chaque molécule, une danse incessante se joue. Les atomes d'hydrogène et d'oxygène frémissent, même au zéro absolu, car tel est le monde quantique. Ces frémissements modifient la quantité de chaleur que l'eau emmagasine et la façon dont elle s'écoule.

Au XIXe siècle, James Clerk Maxwell imagina un petit démon. Celui-ci connaît la vitesse de chaque molécule de gaz et ouvre une porte : les rapides à gauche, les lentes à droite. Ainsi, sans dépense d'énergie, une différence de température apparaît, ce qui semble violer les lois de la physique.

Effacer un bit d'information n'est pas gratuit. En 1961, Rolf Landauer a montré qu'à température ambiante, cela nécessite au minimum environ 3 zeptojoules d'énergie — une quantité minuscule, mais non nulle. Cette limite était considérée comme aussi infranchissable que la conservation de l'énergie. Mais que se passerait-il si l'on « trompait » légèrement le système ?

Les galaxies s'éloignent, mais la vitesse d'expansion mesurée par la lueur résiduelle du Big Bang et par les explosions de supernovae ne coïncide pas – ce problème a été appelé la tension de Hubble. Comme deux danseurs qui perdent le rythme parce qu'ils ne se sentent pas l'un l'autre.

Un thermomètre plongé dans un échantillon ne donne généralement que la température. Mais si la température oscille légèrement et que l'échantillon répond avec un retard, cette réponse recèle bien plus : la partie imaginaire de la capacité thermique, qui, semble-t-il, sait entendre l'écho quantique du temps.

Deux télescopes regardent le même Univers et voient des vitesses différentes. Les mesures locales sur les supernovae donnent 73.04 ± 1.04 km/s/Mpc, tandis que les données du fond diffus cosmologique, dans le modèle standard, prédisent 67.36 ± 0.54.