Une seule particule peut-elle avoir une température ? Cela peut sembler impossible avec notre compréhension standard de la température, mais le chroniqueur Jacklin Kwan constate que ce n'est pas exactement exclu dans le domaine quantique
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L’une des choses les plus absurdes de la science est que vous pouvez passer des années à étudier et à lire sur les mystères les plus profonds de l’univers – la matière noire, la gravité quantique, la nature du temps – et quand même vous laisser trébucher par quelque chose d’une simplicité trompeuse. Richard Feynman, physicien théoricien lauréat du prix Nobel, a avoué qu'en tant qu'étudiant, il ne comprenait pas vraiment pourquoi les miroirs renversaient les images de gauche à droite plutôt que de haut en bas. Je ne suis pas Feynman ; Je sais comment fonctionnent les miroirs. Mais j’ai eu mon propre compte rendu avec humilité face à l’évidence : la température.
Nous savons que les choses peuvent être chaudes ou froides depuis que le premier enfant des cavernes a mis sa main dans le feu et s'est fait crier dessus par un parent inquiet. Mais ce que nous entendons par température a beaucoup changé au fil des siècles et continue d’évoluer aujourd’hui, à mesure que les physiciens le poussent dans des recoins quantiques plus étranges.
Mon propre contact avec cela m'est venu par l'intermédiaire de mon partenaire, qui m'a demandé un jour : « Ma belle et incroyablement intelligente épouse, n'as-tu pas étudié la physique ? Alors dis-moi, une seule particule peut-elle avoir une température ? » Je paraphrase peut-être légèrement ici, mais c'était essentiellement sa question.
Maintenant, son intuition initiale était juste : non, ce n’est pas possible, pas vraiment. La plupart des passionnés de science savent que la température n’est pas quelque chose que l’on peut attribuer à une seule particule. Le commerce du chaud et du froid n’a de sens que dans le cadre de systèmes contenant de très nombreuses particules – des choses comme des pistons remplis de gaz, des cafetières ou des étoiles. C'est parce que la température, telle que nous la définissons habituellement, est une sorte de raccourci. Il capture l'énergie moyenne des composants microscopiques d'un système une fois qu'ils ont rebondi et répartit leur énergie uniformément, atteignant un état appelé équilibre.
Imaginez-le comme une échelle, chaque échelon représentant un niveau d’énergie différent. Plus l’échelon est élevé, plus une particule possède d’énergie. Lorsqu’il y a beaucoup de particules, nous nous attendons à ce qu’elles soient réparties de manière prévisible sur les échelons. La plupart des particules se déposent près du fond, quelques-unes ont suffisamment d’énergie pour grimper d’un échelon plus haut, et encore moins plus haut. Le résultat est un nombre de particules régulier et décroissant à mesure que vous montez l’échelle.
Mais pourquoi définissons-nous la température de cette façon ? Bien sûr, c'est une moyenne, mais rien en mathématiques ne nous interdit de prendre la moyenne d'un ensemble de données avec un seul point. S'il y a une personne de grande taille dans une pièce, nous n'hésitons pas à appeler la taille moyenne des personnes dans cette pièce 6 pieds. Pourquoi ne pas faire de même ici ?
C’est parce que la température n’est pas seulement descriptive, elle est prédictive. Pour les scientifiques qui tentaient d’exploiter la puissance du combustible, du feu et de la vapeur aux XVIIe et XVIIIe siècles, il était très utile qu’une température leur indique ce qui se passerait lorsque deux systèmes interagissaient.
C'est ce qui a donné naissance à la loi zéro de la thermodynamique, la dernière de ces lois à être établie mais la plus fondamentale. Cela se passe comme ceci : si un thermomètre atteint 80°C dans une tasse d'eau tiède, et atteint également 80°C dans une tasse de lait tiède, alors si l'on mélange les deux liquides, il ne devrait y avoir aucun échange net de chaleur entre eux. Cela peut paraître évident, voire banal, mais c'est le fondement de la thermométrie classique.
Et cela n’est vrai que parce que les grands systèmes se comportent de manière statistiquement stable. De minuscules fluctuations d’énergie entre particules spécifiques sont effacées et la loi des grands nombres nous permet d’écrire des résultats généralisables.
La thermodynamique est étrange en ce sens. Contrairement, par exemple, aux lois du mouvement d'Isaac Newton, qui fonctionnent très bien pour une pomme qui tombe ou pour mille, les lois thermodynamiques n'apparaissent qu'à grande échelle. Ils s'appuient sur des moyennes, des ensembles et sur la magie mathématique qui se produit lorsque le nombre de particules atteint les milliards.
Donc : les particules uniques n’ont pas de température. Affaire classée.
C'est du moins ce que je pensais. Mais juste au moment où je me sentais prêt à passer à autre chose, la physique m’a lancé une balle courbe. Le premier signe révélateur que les choses sont sur le point de devenir vraiment étranges est que de nombreux systèmes quantiques sont composés de très peu de particules qui n’ont jamais de propriétés stables.
De minuscules systèmes – comme des atomes individuels ou des spins singuliers – peuvent être des états piégés qui ne s’installent jamais vraiment. Certains sont même délibérément conçus pour résister entièrement à l’état d’équilibre pacifique. Donc, si la température est censée décrire ce qui se passe une fois que les choses se sont calmées, notre définition de la température ne s’effondre-t-elle pas ?
Qu’est-ce que la température exactement ?
Les physiciens ont travaillé dur pour réorganiser la température à partir de la base, en considérant ce que signifie même avoir une température dans le domaine quantique.
Dans le même esprit que les pionniers de la thermodynamique, les chercheurs se demandent désormais non plus ce qu'est la température mais ce qu'elle fait. Si nous prenons un système quantique et le connectons à autre chose, dans quel sens la chaleur se déplace-t-elle ? Le système peut-il réchauffer son voisin ? Est-ce que ça peut le refroidir ?
Dans le monde quantique, la réponse peut être les deux ! Revenons à l'échelle de température que peuvent gravir les particules. Dans le monde classique, les règles de température sont ici simples. Lorsque deux échelles (deux systèmes) interagissent, l’énergie circule toujours du système contenant le plus de particules sur les échelons supérieurs vers celui qui en contient le moins.
Mais un système quantique n’obéit pas aux mêmes règles. Les systèmes quantiques pourraient ne pas avoir de particules sur l’échelon inférieur et les regrouper toutes sur les échelons supérieurs. Ils pourraient avoir des distributions inégales de particules réparties de manière égale sur tous les échelons. La superposition permet également aux particules d'exister entre les échelons. Lorsque la mécanique quantique entre en jeu, notre échelle n’est plus ce que les physiciens appellent « thermiquement ordonnée ».
Il est donc difficile de prédire comment la chaleur pourrait circuler si une échelle interagissait avec quelque chose. Pour résoudre ce problème, les physiciens ont développé une solution curieuse : laisser les systèmes quantiques avoir deux températures. Imaginez une sorte d'échelle de référence qui représente un système thermique simple. Une température vous indique l'échelle la plus chaude à partir de laquelle votre système peut encore extraire la chaleur. L’autre vous indique l’échelle la plus froide vers laquelle votre système peut pousser la chaleur. En dehors de cette fourchette, la chaleur circule dans une direction prévisible, mais à l’intérieur de cette fourchette, le résultat dépend de la nature exacte du système quantique. Il s’agit de la nouvelle loi zéro de la thermodynamique, quelque chose qui peut nous aider à restaurer la logique de la façon dont la chaleur circule dans le monde quantique.
Ces deux limites reflètent le potentiel du système à donner ou à prendre de l'énergie, qu'il soit ou non en état d'équilibre. Fondamentalement, ces températures dépendent non seulement de l’énergie, mais aussi de la manière dont cette énergie est structurée : de la manière dont les particules ou les états quantiques sont distribués à travers les niveaux d’énergie et du type de transitions supportées par l’ensemble du système.
Et comme leurs prédécesseurs thermodynamiques, les physiciens quantiques souhaitent faire fonctionner leurs systèmes. Imaginez deux atomes intriqués : leurs propriétés sont si étroitement corrélées que mesurer l’une affecte l’autre. Exposez maintenant un atome à l’environnement. Lorsque cet atome gagne ou perd de l’énergie, il tire sur le lien quantique invisible reliant la paire. Rompre ou dégrader ce lien a un coût, comme casser un élastique tendu. Cela crée un flux de chaleur qui ne se produirait pas sans le lien quantique, qui peut ensuite être exploité – en couplant l'atome à un minuscule « piston » quantique – pour effectuer un travail, jusqu'à ce que l'intrication soit épuisée. En attribuant des températures efficaces chaudes et froides à n’importe quel état quantique, les chercheurs peuvent déterminer quand un système peut transférer de manière fiable de la chaleur, extraire du travail ou exécuter des tâches telles que la réfrigération et le calcul.
Si vous êtes arrivé jusqu'ici, voici ma confession : j'ai soutenu avec mon partenaire qu'une seule particule pouvait avoir de la température, même si son intuition était correcte. Être un mauvais perdant m'a envoyé dans un gouffre majeur – et au fond, j'ai découvert que nous avions tous les deux raison, en quelque sorte. Une seule particule ne peut pas avoir un température, mais il peut en avoir deux.
