Bonjour à tous! La semaine dernière, nous parlions de température et plus précisément de ce qu’elle était et de comment il pouvait être facile de la confondre avec des effets dus à la conductivité thermique avec l’exemple du gâteau sortant du four. Aujourd’hui il sera plutôt question des limites de la température : est-ce qu’il existe une température minimale et/ou une température maximale dans tout l’univers?

Commençons par les grands froids maintenant que nous sommes apparemment enfin sortis de l'hiver...

Froid extrême et zéro absolu, ou comment se rendre compte que nos hivers à -30°C sont quand même pas mal chauds!

C’est à la fin du 17ème siècle que l’idée d’une température minimale commence à germer dans l’esprit des scientifiques grâce notamment au physicien britannique Robert Boyle. Certaines lois concernant les gaz permettaient de connaître le comportement de leur pression en fonction de la température par exemple. Il avait été alors prédit que la pression d’un gaz devait s’annuler pour une certaine température. On pourrait alors se demander quel rapport existe entre cette pression nulle et une éventuelle température minimale. Il faudrait savoir ce qu’est vraiment la pression en fait. Lorsque l’on gonfle un ballon en soufflant à l’intérieur, on force beaucoup d’atomes à rentrer à l’intérieur du ballon. Ce sont alors ces particules qui gonflent le ballon en cognant contre ses parois internes! Cela est représenté à l' image 1 .

Plus les atomes bougent, plus il y a de chocs contre les parois du ballon et moins les atomes bougent, moins il y a de chocs contre les parois du ballon. Cela explique pourquoi un ballon se gonfle lorsqu’on le chauffe et pourquoi il se contracte lorsqu’on le refroidit (vous pouvez très bien essayer cela chez vous en mettant un ballon au réfrigérateur par exemple). Que signifie alors une pression nulle? Tout simplement que les atomes ne bougent plus! Or, nous avons vu la semaine dernière que la température était définie ainsi :

«plus les atomes bougent, plus ils sont chauds» «moins les atomes bougent, plus ils sont froids»

(voir mon article de la semaine dernière). Si les atomes ne bougent plus, il est impossible de les refroidir davantage car cela reviendrait à les faire encore moins bouger que lorsqu’ils sont déjà immobiles! On atteint ainsi une température minimale, sous laquelle on ne peut pas descendre. Beaucoup d’efforts ont dès lors été mis en place pour trouver la valeur de cette température minimale.

Il aura fallu attendre 1848 et le physicien britannique William Thomson (adoubé Lord Kevin) pour avoir accès à cette température la plus froide possible, appelée plus communément le zéro absolu à -273,15°C. Il définit le zéro absolu comme la température à laquelle un corps ne pourrait juste plus donner la moindre chaleur à son environnement. Je préfère être honnête avec vous et rajouter que faire un peu de mécanique quantique nous apprend qu’en réalité, les atomes bougent encore au zéro absolu, mais qu’ils bougent le moins possible.

On vient donc de voir qu’il existe effectivement une température sous laquelle on ne peut pas descendre mais dont les plus récentes expériences s’approchent à quelques fractions du milliardième de degré (voir le petit article en anglais). Qu’en est-il d’une éventuelle température maximale, au-dessus de laquelle on ne pourrait pas monter?

Chaud extrême et Kugelblitz, ou comment caser de manière complètement justifiée les mots «big bang» et «trou noir» alors qu'on parlait simplement de température au départ!

Intéressons-nous aux hautes températures, notamment grâce à la vidéo Youtube ci-dessus issue de la magnifique chaine Youtube Vsauce : How hot can it get? . On apprend ainsi que tout objet qui n’a pas atteint le zéro absolu émet de la lumière. L' image 2 montre comment on peut se représenter cette lumière. Elle peut être vue comme une onde (bien que composée de particules/ondes appelés photons) où on a indiqué la longueur d’onde en vert. Cette longueur d’onde correspond juste à la longueur minimale à partir de laquelle l’onde commence à se répéter. Cette seule longueur suffit à définir tous les «types» de lumière existants. Oui, vous avez bien lu, tous les types de lumière. La lumière visible à laquelle nous sommes habitués correspond en fait à une toute petite portion de ce qui existe vraiment, comme le montre le petit schéma de l' image 3 où on a indiqué les différents types de lumière sur une flèche allant avec les longueurs d’onde croissantes.

La lumière qu’émet tout objet dépend alors de sa température, plus l’objet est chaud, plus la longueur d’onde de la lumière émise est courte. Cela explique par exemple pourquoi la base d’une flamme est bleue plutôt que jaune-orangée. En effet, cette base a une température comprise entre 1100°C et 1500°C environ pour n'importe quelle flamme basique, et oui ça ne paraît pas qu'il y ait autant de chaleur à la base d'une flamme! Bien plus chaude que le reste de la flamme, elle émet une lumière de longueur d’onde plus courte que le jaune-orangé, ce qui donne du bleu. Nous-même, humains à environ 37,5°C, émettons de la lumière! Cependant, cette lumière est invisible, ce sont des infrarouges! Voilà pourquoi les lunettes à vision infrarouge sont si importantes dans le domaine militaire : elles permettent de voir tout être humain, quelque soit l’obscurité ambiante. Il faut chauffer un objet à environ 525°C pour qu’il commence à émettre de la lumière visible (pensez aux éléments chauffants dans un simple grille-pain).

Montons un peu le chauffage... La température au cœur de la Terre est du même ordre que celle à la surface du Soleil, soit environ 5500°C. La température au cœur du Soleil est de l’ordre de 15 millions de degrés. Cependant, le Soleil est une étoile relativement petite par rapport à d’autres étoiles comme Pollux dans la constellation des Gémeaux, qui fait environ 8 fois sa taille (les plus grosses étoiles connues à ce jour font 1600 fois la taille du Soleil). Au cœur d’une étoile comme Pollux, la température peut atteindre 3 milliards de degrés juste avant son explosion (ou supernova), à la fin de sa vie.

Allez, on ne rigole plus maintenant, faisons décoller la température! Imaginons que l’on puisse atteindre la température incroyable de :

141 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000°C

soit 141 000 milliards de milliards de milliards de degrés Celsius (je sais, difficile à imaginer, mais je dois me plier à la physique). On a vu que la lumière émise par quelque chose de chaud avait une longueur d’onde de plus en plus courte à mesure que ce quelque chose chauffait (on ne peut plus vraiment parler d’un objet solide à de telles chaleurs). À cette température colossale, appelée température de Planck (d’après le physicien allemand Max Planck), la longueur d’onde est tellement courte qu’on atteint la longueur dite de Planck, la longueur la plus courte compréhensible par la mécanique quantique (qui permet de comprendre l'infiniment petit).

Autrement dit, à cette température, on atteint la limite de ce à quoi on peut donner un sens dans l’état actuel de nos connaissances en physique. On parle de Kugelblitz («boule de foudre» en allemand). Il est envisagé qu’une telle température, et surtout l’énergie qu’elle représente, soit suffisante pour créer un trou noir : un astre si massif que rien ne peut lui échapper, y compris la lumière! Mais de cela, rien n’est moins sûr... On atteint en fait des conditions semblables aux premiers instants du big bang, instants que nous ne comprenons pas encore... Il s'agit ici d'un des plus grands mystères de la la physique actuelle : dans les premiers instants du big bang, tout l'univers (formant une masse titanesque requérant l'utilisation de la relativité générale d'Einstein) se retrouve comprimé dans un minuscule volume (requérant l'utilisation de la mécanique quantique)! Seul «léger petit» problème : les deux théories sont complètement incompatibles pour l'instant! Seul le mariage des deux théories, une théorie du tout, permettrait de comprendre ce qui s'y passe, on parle aussi de gravité quantique. C'est ce qu'essaient de trouver les mathématiciens/physiciens travaillant en théorie des cordes par exemple. Les trous noirs semblent aussi être des terrains de jeu parfaits pour ce type de recherche car des phénomènes quantiques sont supposés se dérouler à la frontière de ces objets issus de la relativité générale (vous pouvez jeter un oeil à la radiation de Hawking en anglais, même si ça demanderait bien un article en soi, je vais y réfléchir...). ;-)

On sait donc maintenant qu'il existe une température minimale appelée le zéro absolu mais rien n'est sûr pour ce qui est d'une température maximale... Une chose demeure certaine cependant : si vous voulez dire à une personne qu’elle est tellement hot que même la science actuelle ne peut pas la comprendre, appelez-la Kugelblitz, l’effet n’est pas garanti mais ça vaut la peine d’essayer! À bon entendeur...

Bien à vous,

Alexis

PS : C'est décidé, je ferai un article dans quelques semaines sur les trous noirs pour essayer de montrer tout ce que l'on peut tirer de ces monstres galactiques! :-)