Pourquoi y a-t-il une limite au froid, mais pas au chaud ?

Description de l'image : La théorie du zéro absolu et les températures extrêmes dans l'univers. Source image : Astronoo IA.

Notion de zéro absolu

Le zéro absolu, défini comme 0 K (kelvin) ou -273,15 °C, représente la température théorique la plus basse que l’on puisse atteindre. À cette température, les atomes sont dans leur état fondamental le plus bas et cessent tout mouvement, à l’exception des effets quantiques résiduels. Cela marque une limite car, selon les principes de la thermodynamique, une énergie cinétique négative est impossible, ce qui explique qu'on ne puisse pas aller en-dessous de 0 K.

Pourquoi une énergie cinétique négative est impossible ?

Cette formule, où m est la masse de la particule et v sa vitesse, montre que l'énergie cinétique dépend de la masse et du carré de la vitesse. Dans la physique classique, la masse est toujours positive. Autrement dit, l’énergie cinétique ne peut jamais être négative, car les termes physiques qui la définissent, comme la masse et le carré de la vitesse, ne permettent pas de valeurs négatives.

$$Ec = \frac{1}{2} mv^2$$

En thermodynamique, la température est une mesure de l’énergie cinétique moyenne des particules dans un système. Une température de 0 K correspond au zéro absolu, où les particules sont dans leur état fondamental et ne possèdent plus de mouvement thermique, ce qui entraîne une énergie cinétique moyenne nulle. Aller en-dessous de ce point nécessiterait une énergie cinétique négative, signifiant un mouvement "en-dessous" de l’immobilité absolue, ce qui est physiquement absurde dans le cadre de la mécanique classique et quantique.

Le troisième principe de la thermodynamique dit que, lorsque la température d’un système atteint le zéro absolu (0 K), l’entropie, ou le « désordre » des particules, devient minimale. En d’autres termes, à cette température, les particules sont dans un état d’ordre parfait, où elles n'ont plus aucune agitation thermique. Dans un système idéal, cela signifie que l’entropie est nulle, car toutes les particules sont parfaitement alignées et ne bougent plus.

À 0 K, dans un système idéal, le désordre thermique est nul parce que les particules n'ont plus d'agitation thermique et sont figées dans un état parfaitement ordonné. Cela signifie qu'il n'y a plus de possibilités de désordre supplémentaire.

Cependant, même à 0 K, certaines particules conservent un léger « désordre » ou mouvement résiduel à cause des effets quantiques. Mais, d'un point de vue classique et dans un système parfaitement ordonné, il n’y a effectivement plus de désordre possible à cette température.

N.B. : Si la masse est hypothétiquement négative, alors l'énergie devient négative, mais cela sort du cadre de la physique classique et nécessiterait un modèle théorique spécifique et des interprétations nouvelles pour comprendre ce que signifie une énergie cinétique négative. Actuellement, aucune observation ou expérience n'a démontré l'existence de masses négatives.

Pourquoi il n’y a pas de limite supérieure à la température ?

Contrairement au froid, la chaleur n’a pas de limite intrinsèque supérieure. La température est une mesure de l’énergie cinétique moyenne des particules, et rien n’empêche, théoriquement, d’ajouter continuellement de l’énergie. Dans les conditions extrêmes, comme celles rencontrées lors de la création de l'univers, les températures pouvaient atteindre des milliards, voire des trillions de kelvins. Ces températures élevées sont seulement limitées par les capacités des sources d'énergie disponibles, et non par une limite physique inhérente.

Conclusion

En résumé, le zéro absolu représente une limite physique en raison de l’impossibilité de réduire l'énergie des particules en dessous de leur état fondamental (l’immobilité absolue). À l'inverse, il n'existe aucune barrière fondamentale pour des températures extrêmement élevées (l’agitation extrême).