Qu'est-ce que le zéro absolu ? Définition de la température la plus basse possible

Il existe une température en dessous de laquelle rien ne peut descendre : le zéro absolu. Fixé à 0 kelvin, soit −273,15 degrés Celsius, il représente la limite inférieure de toutes les températures possibles, le point où l'agitation des particules qui composent la matière atteindrait son minimum absolu. Contrairement au 0 °C de nos thermomètres, qui correspond simplement à la température de fusion de la glace, ce zéro-là n'est pas une convention commode : c'est une borne imposée par les lois de la physique elles-mêmes. Aucune expérience ne l'a jamais atteint, et la thermodynamique affirme même qu'il est impossible de l'atteindre exactement, mais les physiciens s'en sont approchés de façon spectaculaire, jusqu'à des fractions infimes de kelvin. Dans ce froid extrême, la matière révèle des comportements stupéfiants, comme des liquides qui s'écoulent sans aucun frottement ou des métaux qui conduisent l'électricité sans la moindre perte. Cet article définit précisément le zéro absolu, explique pourquoi il constitue une limite infranchissable, retrace l'histoire de sa découverte d'Amontons à Lord Kelvin, présente les techniques qui permettent de s'en approcher et les phénomènes étonnants qu'il dévoile, de la supraconductivité aux condensats de Bose-Einstein.

Qu'est-ce que le zéro absolu ? Définition

Le zéro absolu est la température la plus basse théoriquement possible, celle à laquelle un système physique se trouverait dans son état d'énergie minimale. Il sert d'origine à l'échelle de température thermodynamique, exprimée en kelvins (symbole K), l'unité du Système international : 0 K correspond à −273,15 °C et à −459,67 degrés Fahrenheit. Contrairement à le zéro des échelles Celsius et Fahrenheit, choisi par commodité, ce point de départ n'a rien d'arbitraire : il n'existe pas de température négative en kelvins au sens habituel, puisque rien ne peut être plus froid que l'état d'agitation minimale. Pour comprendre cette limite, il faut se rappeler ce qu'est la température. À l'échelle microscopique, les atomes et les molécules d'un corps ne sont jamais immobiles : ils vibrent, tournent et se déplacent en permanence, et la température mesure, en quelque sorte, l'intensité de cette agitation thermique. Plus un objet est chaud, plus ses particules s'agitent ; à mesure qu'on le refroidit, leur mouvement ralentit. Le zéro absolu correspond au point où l'on ne pourrait plus retirer aucune énergie thermique au système, parce qu'il serait déjà dans l'état le plus calme que permettent les lois de la nature.

Pourquoi ne peut-on pas descendre plus bas ?

Si la température mesure l'agitation des particules, on comprend intuitivement qu'elle ne puisse pas descendre indéfiniment : une fois l'agitation réduite au minimum possible, il n'y a plus rien à retirer. C'est cette idée qu'ont découverte les physiciens en étudiant les gaz. À volume constant, la pression d'un gaz diminue régulièrement quand on le refroidit, et si l'on prolonge cette diminution sur un graphique, la droite obtenue coupe l'axe à une température voisine de −273 °C, la même quel que soit le gaz étudié. Ce point d'extrapolation correspond à une pression nulle, ce qui suggérait l'existence d'une température limite universelle. Dans la réalité, les gaz se liquéfient bien avant d'atteindre cette valeur, mais la thermodynamique a ensuite montré que la limite valait pour tous les corps, et pas seulement pour les gaz. Il faut en revanche se garder d'une idée reçue : au zéro absolu, la matière ne serait pas privée de toute énergie. Elle conserverait l'énergie de ses liaisons chimiques, celle de ses noyaux et, comme l'a révélé la physique quantique, une agitation résiduelle impossible à supprimer. Le zéro absolu est le minimum de l'énergie thermique, pas l'absence totale d'énergie, une nuance essentielle pour comprendre la suite.

Zéro absolu et physique quantique : l'énergie du point zéro

La physique classique imaginait qu'au zéro absolu, toutes les particules seraient parfaitement immobiles. La mécanique quantique a corrigé ce tableau. Selon le principe d'incertitude formulé par Werner Heisenberg, il est impossible de connaître simultanément avec une précision parfaite la position et la vitesse d'une particule. Une particule parfaitement immobile en un point exact violerait ce principe. Il en résulte qu'un système quantique, même dans son état le plus bas, conserve une énergie minimale non nulle, appelée énergie du point zéro, et un mouvement résiduel que l'on ne peut éliminer. Cette énergie a des conséquences bien réelles : c'est elle qui explique, par exemple, que l'hélium reste liquide jusqu'aux plus basses températures à la pression atmosphérique, au lieu de se solidifier comme toutes les autres substances, car ses atomes très légers s'agitent trop pour former un cristal. Au voisinage du zéro absolu, les particules ont tendance à occuper leurs états d'énergie les plus bas, et les effets quantiques, d'ordinaire masqués par l'agitation thermique, deviennent visibles à notre échelle. C'est ce qui fait des très basses températures un laboratoire privilégié pour observer la physique quantique à l'œuvre.

Le troisième principe : un zéro inaccessible

La thermodynamique repose sur quelques grands principes, et le troisième principe, formulé au début du XXe siècle à partir des travaux du chimiste allemand Walther Nernst, concerne directement le zéro absolu. Il énonce, dans l'une de ses formulations, que l'entropie d'un cristal parfait tend vers zéro lorsque la température tend vers 0 K. L'entropie mesure, de manière simplifiée, le nombre de configurations microscopiques compatibles avec l'état d'un système, ou encore son degré de désordre : au zéro absolu, un système idéal se trouverait dans un état unique, parfaitement ordonné. Une conséquence importante de ce principe est qu'il est impossible d'atteindre le zéro absolu en un nombre fini d'étapes. Chaque opération de refroidissement permet de gagner une fraction de la température restante, mais plus on s'approche du but, plus chaque gain est difficile, à la manière d'un coureur qui parcourrait chaque fois la moitié de la distance qui le sépare de l'arrivée. Les physiciens peuvent donc s'approcher du zéro absolu d'aussi près que la technique le permet, sans jamais l'atteindre exactement. Ce caractère inaccessible ne diminue en rien l'intérêt de la notion, qui reste la référence de toute la physique des températures.

Histoire du zéro absolu : d'Amontons à Lord Kelvin

L'histoire du zéro absolu commence au début du XVIIIe siècle avec le physicien français Guillaume Amontons, qui étudie la relation entre la pression et la température de l'air. Constatant que la pression baisse régulièrement avec la température, il en déduit qu'il doit exister un degré de froid où l'air n'exercerait plus aucune pression, une intuition remarquable même si l'estimation de l'époque reste approximative. Au cours du XVIIIe et du XIXe siècle, les travaux sur les gaz, notamment ceux de Jacques Charles et de Joseph Louis Gay-Lussac, précisent ces relations et conduisent à une valeur proche de −273 °C. En 1824, le jeune ingénieur Sadi Carnot publie ses réflexions sur la puissance motrice du feu, qui posent les bases de la thermodynamique. C'est en s'appuyant sur ces travaux que le physicien britannique William Thomson, futur Lord Kelvin, propose vers le milieu du XIXe siècle une échelle de température absolue, indépendante des propriétés d'une substance particulière. Son zéro correspond à la température la plus basse concevable, et l'unité de cette échelle porte aujourd'hui son nom. La notion de zéro absolu passe ainsi d'une extrapolation sur les gaz à un concept fondamental, valable pour toute la matière.

L'échelle kelvin et ses repères

L'échelle kelvin est aujourd'hui l'échelle de référence des scientifiques. Son pas est identique à celui de l'échelle Celsius : une variation de 1 K équivaut à une variation de 1 °C, ce qui rend les conversions très simples. Il suffit d'ajouter 273,15 à une température en degrés Celsius pour obtenir sa valeur en kelvins, et de faire l'opération inverse pour revenir aux degrés Celsius. On écrit d'ailleurs « kelvin » sans le mot « degré » : on dit 300 kelvins, et non 300 degrés kelvin. Depuis la révision du Système international d'unités entrée en vigueur en 2019, le kelvin est défini à partir d'une constante fondamentale de la physique, la constante de Boltzmann, qui relie la température à l'énergie, et non plus à partir du point triple de l'eau. Le tableau ci-dessous présente quelques repères de température, du plus chaud au plus froid, exprimés dans les deux échelles. Il montre combien les températures que nous connaissons au quotidien sont éloignées du zéro absolu, et à quel point les fluides utilisés en laboratoire, comme l'azote ou l'hélium liquides, permettent déjà de s'en rapprocher fortement.

Jusqu'où s'est-on approché du zéro absolu ?

La course vers le zéro absolu a mobilisé les physiciens depuis la fin du XIXe siècle. La première étape a été la liquéfaction des gaz dits « permanents », comme l'oxygène et l'azote, puis l'hydrogène. En 1908, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes parvient à liquéfier l'hélium, à environ 4 K, ouvrant le domaine des très basses températures. Au XXe siècle, de nouvelles techniques permettent de descendre bien plus bas : le pompage de l'hélium liquide, la désaimantation adiabatique, qui exploite les propriétés magnétiques de certains sels ou noyaux atomiques, puis le réfrigérateur à dilution, qui mélange deux isotopes de l'hélium et permet d'atteindre en continu quelques millièmes de kelvin. À partir des années 1980, le refroidissement par laser révolutionne le domaine : en bombardant des atomes avec des photons soigneusement accordés, on parvient à ralentir considérablement leur mouvement, puis à les refroidir encore par évaporation dans des pièges magnétiques. Les laboratoires atteignent ainsi des températures de l'ordre du milliardième de kelvin, voire en dessous, des records qui sont régulièrement battus. Ces travaux ont valu plusieurs prix Nobel de physique, signe de leur importance pour la science fondamentale.

Le froid dans l'Univers

On pourrait croire que l'espace interstellaire est au zéro absolu, mais ce n'est pas le cas. L'Univers tout entier baigne dans un rayonnement fossile, le fond diffus cosmologique, émis peu après le Big Bang et refroidi depuis par l'expansion de l'Univers, dont la température est d'environ 2,7 K. Un corps isolé dans l'espace, loin de toute étoile, finit donc par se mettre à peu près à cette température, et non à 0 K. Certains objets astronomiques peuvent toutefois être un peu plus froids que ce fond : la nébuleuse du Boomerang, un nuage de gaz éjecté par une étoile vieillissante, est souvent citée comme l'un des endroits naturels les plus froids connus, avec une température estimée autour de 1 K, du fait de la détente rapide de son gaz. Les températures les plus basses de l'Univers observable sont donc probablement celles que les physiciens produisent dans leurs laboratoires terrestres. Les instruments d'astronomie eux-mêmes ont besoin du froid : certains télescopes spatiaux et détecteurs doivent être refroidis à quelques kelvins pour capter des rayonnements très faibles sans être aveuglés par leur propre chaleur. Le zéro absolu reste ainsi une référence commune à la physique de laboratoire et à l'étude du cosmos.

Supraconductivité, superfluidité : ce que révèle le zéro absolu

L'intérêt de s'approcher du zéro absolu ne tient pas seulement au record : à très basse température, la matière adopte des comportements impossibles à température ordinaire. En 1911, Kamerlingh Onnes découvre que la résistance électrique du mercure s'annule brutalement en dessous d'environ 4 K : c'est la supraconductivité, qui permet à un courant de circuler sans aucune perte. Elle est aujourd'hui utilisée dans les électroaimants des appareils d'imagerie par résonance magnétique et des grands accélérateurs de particules. À la fin des années 1930, on découvre que l'hélium liquide, refroidi en dessous d'environ 2,2 K, devient superfluide : il s'écoule sans viscosité, traverse des capillaires infimes et peut même grimper le long des parois de son récipient. En 1995, des équipes américaines obtiennent pour la première fois un condensat de Bose-Einstein, un état de la matière prédit dans les années 1920, où des milliers d'atomes refroidis près du zéro absolu se comportent comme une seule entité quantique. Ces phénomènes nourrissent la recherche sur les ordinateurs quantiques, les capteurs ultra-précis ou le transport d'électricité sans pertes, et ils rappellent que la conduction ordinaire, même dans le meilleur conducteur électrique, s'accompagne toujours d'une résistance.