Principe zéro de la thermodynamique

Une fine couche mince de nickelate de néodyme, épaisse de quinze nanomètres, repose sur un substrat de gallate de néodyme. En dessous de cent quatre-vingts kelvins, elle se comporte comme un isolant : les électrons sont enfermés dans leurs cellules atomiques et ne peuvent pas se déplacer librement.

Dans une chambre ultra-froide, deux nuages d'atomes entrent en collision : quelques dizaines d'atomes de césium, qui jouent le rôle de fluide de travail, et des milliers d'atomes de rubidium, qui forment le réservoir de chaleur.

Le graphène — une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur — sait changer ses propriétés magnétiques comme l'eau change de forme : tantôt elle coule, tantôt elle se fige en glace. Dans ces nouveaux travaux, des physiciens ont pour la première fois observé l'intérieur de ce processus à l'aide d'un capteur de la taille d'une pointe d'aiguille.

Jetez un caillou dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. De la même manière, tout corps, même le plus petit, perturbe le champ gravitationnel qui l'entoure. Dans le vide froid de l'espace, ces perturbations, telles des rides sur une surface calme, font que deux objets proches se repoussent toujours.

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.

Tout a commencé par une étirement. Dans les premières fractions de seconde, l'Univers s'est gonflé — les physiciens appellent cela l'inflation. Puis l'expansion rapide a cédé la place à une phase où l'énergie du champ s'est transformée en particules ordinaires.

Dans un cristal, la chaleur voyage sur des ondes. Les atomes vibrent, et ces vibrations – appelées phonons – transportent l'énergie du bord chaud vers le bord froid.

Le trou noir de Kerr-NUT n'est pas simplement un aspirateur cosmique. C'est une solution des équations d'Einstein où le trou possède une masse, une rotation et un étrange paramètre NUT. Il se comporte comme une charge magnétique pour la gravité : en apparence invisible, mais il modifie les propriétés de l'espace environnant.

Une casserole d'eau bouillante est couverte de deux couvercles, l'un intérieur, l'autre extérieur. Le thermomètre sous chacun indique sa propre température, mais leur moyenne harmonique (une façon particulière de moyenner, où l'on additionne les inverses) reste toujours inchangée. La chaleur semble obéir à une règle invisible.

Dans un verre d'eau, l'huile se rassemble en gouttelettes : c'est une séparation à l'équilibre, dictée par la chimie. Mais il existe des systèmes où l'ordre naît non pas du repos, mais d'un flux d'énergie constant.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent des trous noirs supermassifs. L'un d'eux — Sagittaire A* au cœur de la Voie lactée — est devenu un terrain d'essai pour une nouvelle idée. Les auteurs de l'étude ont pris la gravité einsteinienne et y ont ajouté un champ électromagnétique inhabituel.

Un morceau de sucre jeté dans le thé se dissout, et bientôt tout le liquide est également sucré. Ce chemin vers l'équilibre est si familier qu'il semble évident.

Les manuels divisent les particules en deux camps : les bosons aiment se serrer dans un même état, les fermions, catégoriquement non. Mais la nature admet une troisième option. Les anyons sont des quasiparticules dont le comportement se situe quelque part entre les deux.

Notre Univers ne se contente pas de s'étendre — il le fait de plus en plus vite. C'est comme une pâte à raisins dans le four : les raisins s'éloignent les uns des autres, et plus ils sont déjà éloignés, plus vite ils continuent de se séparer. La force étrange qui repousse le cosmos a été nommée énergie noire.

Le thé dans une tasse refroidit tranquillement sur la table. Mais si vous passez à proximité à une vitesse proche de celle de la lumière, le thermomètre indiquera une valeur plus élevée — bien que personne n'ait réchauffé le thé. Les calculs le confirment : l'aiguille montera. Il y a cent ans, les physiciens étaient divisés en trois camps.

Un glaçon dans un thé chaud fond exactement à zéro degré. Mais si la glace est faite de particules subatomiques et que le thé est de la matière nucléaire surchauffée ?

Si vous plongez deux thermomètres identiques dans une casserole d'eau chaude, ils affichent la même valeur — et nous sommes rassurés : la température est bien mesurée. Mais dans un gaz raréfié chauffé à des millions de degrés, cette astuce ne fonctionne plus.

Des physiciens ont appris à traduire les équations de la gravitation dans le langage de l'électricité. Cette astuce — le double copiage — fonctionne comme un dictionnaire : elle remplace la géométrie complexe de la courbure de l'espace-temps par de simples règles électriques.

Une casserole de soupe oubliée sur la cuisinière refroidit jusqu'à la température ambiante. On dirait que tout est revenu au calme. Mais si on regarde à l'intérieur avec une loupe quantique, on découvre que les molécules d'eau ne sont pas figées : elles continuent leur danse. Simplement, cette danse est devenue régulière, et non plus tumultueuse comme lors de l'ébullition.

Depuis des temps immémoriaux, les physiciens rêvent de tunnels transperçant le cosmos — des trous de ver capables de relier des coins éloignés de l'Univers en un instant.

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.

À la surface d'une minuscule boule vivent deux champs invisibles — comme deux types de rides sur une bulle de savon. Ces champs ne se contentent pas d'osciller tout seuls : ils s'influencent constamment, à la manière de musiciens jouant à l'unisson.

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.

Un système quantique peut posséder une propriété appelée magie. Ce n'est pas un tour de passe-passe, mais une mesure de la difficulté à reproduire son comportement sur un ordinateur classique. Les états ordinaires, dits stabilisateurs, sont faciles à calculer pour un ordinateur. En revanche, les états magiques le laissent perplexe.

La lumière et les atomes, comme des danseurs, peuvent se mouvoir à l'unisson ou en désordre. Lorsque leur interaction est anisotrope — c'est-à-dire qu'elle dépend de la direction — la danse se complique.

Selon la mécanique ordinaire, l'électron dans l'atome devrait tourbillonner autour du noyau et s'y écraser rapidement — comme un surfeur qui perd de la vitesse et tombe de sa planche. Mais les atomes vivent des milliards d'années. Parce que le cosmos n'est pas vide. Même dans le vide absolu, une mer électromagnétique invisible clapote — le champ du point zéro.

Une chaîne d'atomes chauffée, alignés en ligne, se comporte comme un minuscule trou noir. Cette chaîne est une rangée de particules, chacune ressemblant à un petit aimant. À température ordinaire, les petits aimants se retournent de manière chaotique, mais si on les refroidit, ils s'alignent dans un ordre unique.

De l'eau dans une casserole qui, au lieu de bouillir, se transformerait en glace. C'est à peu près ce que font des atomes ultrafroids dans un réseau optique — un treillis cristallin de lumière qui maintient les atomes en place.

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.

Un café chaud refroidit en émettant de la lumière invisible. Pour maintenir sa température, il doit recevoir exactement la même quantité de lumière en retour. Cet échange silencieux de photons est ce que nous ressentons comme une chaleur stable.

De minuscules particules en forme de fleurs savent faire deux choses à la fois : chauffer et indiquer à quel point elles sont chaudes. Ce n'est pas de la science-fiction, mais le résultat de travaux sur des nanoparticules en ferrite de cobalt, un matériau magnétique qui réagit au champ magnétique.

Les dispositifs quantiques sont généralement conservés dans des cryostats, de grands thermos où la température est plus basse que dans l'espace interstellaire. Un ion d'erbium piégé dans une minuscule cavité sur une puce en silicium brise cette tradition.

La carotte de glace de l'Antarctique est une machine à remonter le temps qui a enregistré le climat pendant 130 000 ans, année après année, sans interruption. Dans les bulles d'air emprisonnées dans la glace, le dioxyde de carbone de ces époques a été conservé.

La méthode habituelle pour congeler une cellule vivante ressemble à une tentative de lui enfiler un scaphandre : il faut d'abord introduire une substance protectrice à l'intérieur, mais pendant qu'elle traverse la membrane, la cellule peut éclater à cause du choc osmotique ou être empoisonnée par les produits chimiques.

L'eau dans un verre refroidit, la glace fond, et la bouilloire chauffe la cuisinière : c'est ainsi que fonctionne le monde, la chaleur va toujours du chaud vers le froid. C'est le deuxième principe de la thermodynamique, une loi qui n'a jamais été violée.

L'eau coule toujours vers le bas, et la chaleur va du chaud au froid. C'est ce que dicte l'entropie. Mais le monde quantique trouve des failles. Des physiciens ont fait interagir des particules de lumière avec des milieux chaud et froid dans un ordre indéterminé — comme une pièce lancée en l'air qui n'est pas encore retombée.

La lumière ordinaire se disperse dans toutes les directions, mais des physiciens l'ont transformée en une sorte de tapis roulant : un flux unidirectionnel qui ne fait pas demi-tour. Pour cela, ils ont fait passer deux faisceaux opposés à travers un nuage d'atomes de Rydberg, gonflés jusqu'à la taille d'une minuscule poussière.

L'intrication quantique est une ressource fragile. Chauffez un système, et les fluctuations thermiques déchireront les fils ténus des corrélations : à une température suffisamment élevée mais finie, l'état de Gibbs d'un hamiltonien local devient séparable, c'est-à-dire représentable comme un mélange…

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.