Un professeur émérite du département de physique de la matière condensée de l’Université de Séville, José María Martín Olalla, a présenté une solution à un problème qui a intrigué les scientifiques pendant plus d’un siècle. Sa nouvelle démonstration remet en question une conception d’Albert Einstein et apporte un éclairage inédit sur la « théorie de Nernst ».
Dans son article scientifique récemment publié dans European Physical Journal Plus, Olalla explique que le théorème de Nernst, qui affirme que les variations de l’entropie thermique tendent vers zéro à l’approche du zéro absolu, n’est pas une loi indépendante, comme Einstein l’avait supposé, mais peut être directement déduit de la deuxième loi de la thermodynamique.
Cette avancée pourrait clore un long débat en physique et réorganiser les fondements de la thermodynamique, qui est une des pierres angulaires de notre compréhension de la nature. Selon Olalla, ce nouveau résultat corrige une erreur fondamentale et permettra de réduire le nombre de lois nécessaires pour appréhender l’évolution des processus naturels.
Contexte historique entre Nernst et Einstein
Au début du XXe siècle, le chimiste allemand Walter Nernst a observé comment se comportent les substances aux températures proches du zéro absolu (-273 °C). Lorsqu’une matière est chauffée, ses molécules s’agitent davantage, augmentant ainsi son entropie, une mesure du désordre dans un système fermé. En refroidissant, ces mouvements ralentissent et l’entropie diminue.
Nernst en a déduit qu’au zéro absolu, les molécules cesseraient presque complètement tout mouvement et que la variation d’entropie s’annulerait, signe que les particules n’ont plus d’énergie cinétique. Pour ses travaux, il a reçu le prix Nobel de chimie en 1920, notamment pour avoir formulé le troisième principe de la thermodynamique permettant de calculer des équilibres chimiques à très basse température.
Einstein, cependant, n’avait pas accepté l’idée qu’un moteur thermique idéal, comme celui imaginé par Carnot, puisse être construit dans la réalité. Il considérait donc que la démonstration du théorème de Nernst par contradiction avec la deuxième loi était discutable.
Une avancée déterminante selon Olalla
Olalla précise que l’absence de variation d’entropie est une propriété générale des matériaux lorsqu’ils approchent du zéro absolu. Il illustre cette remarque par un exemple simple :
- Le fer et l’eau, pesant chacun un kilogramme, chauffés avec la même chaleur, ne s’élèveront pas à la même température.
- Ceci s’explique par la chaleur spécifique, définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’un kilogramme de matière d’un degré Celsius.
La nouveauté de sa démonstration réside dans l’absence d’hypothèse sur la chaleur spécifique nulle et dans le refus d’arguments reposant sur l’impossibilité de construire un moteur thermique idéal. Au contraire, il s’appuie sur l’interprétation plus précise du zéro absolu via le thermomètre de Carnot, une échelle expérimentale déduite de la deuxième loi.
Le moteur de Carnot ne peut exister dans notre monde réel, car il exige un fonctionnement entièrement réversible, sans frottements ni pertes énergétiques, ce qui est impossible actuellement. Néanmoins, le thermomètre de Carnot, concept abstrait, est l’outil clé pour comprendre le zéro absolu en physique théorique.
Olalla déclare que le manque d’une définition claire de la température dans le cadre thermodynamique a freiné la démonstration du théorème pendant des décennies. Le moteur hypothétique de Nernst, bien qu’inactif en termes de production de travail ou de chaleur, reste valide logiquement pour conclure.
Remise en question des hypothèses classiques
Un obstacle majeur a été la constatation de Nernst selon laquelle la chaleur spécifique tend vers zéro à l’approche du zéro absolu. Ce comportement, conforme aux variations d’entropie, résistait aux explications de la physique classique, ce qui a conduit à l’émergence de la mécanique quantique.
Les physiciens pensaient que la chaleur spécifique d’un solide était constante, ce que confirmaient les expériences à températures moyennes et élevées. Mais à très basses températures, les mesures ont montré une chute drastique, en contradiction avec la théorie classique.
Einstein a apporté une solution avec son modèle quantique des solides, expliquant que les atomes n’avaient pas assez d’énergie pour passer à des niveaux supérieurs et qu’ils absorbaient donc moins de chaleur, ce qui explique la baisse de la chaleur spécifique.
Olalla dissocie toutefois cette observation du théorème de Nernst. Il considère que la disparition de la chaleur spécifique, bien qu’expérimentale, n’est pas indispensable pour démontrer le théorème, qui peut être prouvé indépendamment. Il suggère que le refus d’Einstein d’accepter ce théorème était motivé par l’absence d’explication classique à la disparition de la chaleur spécifique.
Vers une simplification des lois thermodynamiques
Olalla affirme que le troisième principe de la thermodynamique, tel que nous le connaissons, n’est plus nécessaire. Selon lui :
- Outre la conservation de l’énergie, protégée par la première loi, la thermodynamique nécessitait jusqu’ici deux lois : la deuxième loi sur l’augmentation de l’entropie et la troisième loi de Nernst.
- Avec sa démonstration, un seul principe supplémentaire, en plus du premier, suffirait pour comprendre la thermodynamique.
- Les physiciens aspirent à unifier les théories afin d’améliorer la connaissance et simplifier leur description de la nature.
Olalla reconnaît que l’acceptation de sa proposition pourrait prendre du temps, mais il se montre optimiste quant à l’impact de sa publication pour relancer la réflexion sur les concepts fondamentaux de la température. Ce travail pourrait ouvrir la voie à une compréhension plus profonde de l’univers dans ses états extrêmes, où la température frôle le zéro absolu, la désorganisation disparaît, les lois classiques s’effondrent, et les physiciens élaborent une nouvelle cartographie thermique plus précise.