Qu'est-ce que le zéro absolu ?

La question suivante m'a été envoyée hier :

Pouvez-vous s'il vous plaît me dire ce que signifie zéro absolu? Comment se fait-il que la température ne puisse pas être inférieure à cette valeur ? Et s'il y a un zéro absolu comme limite inférieure de température, y a-t-il une limite supérieure ?

Oui, en effet le zéro absolu est la température la plus basse possible qu'un corps physique puisse avoir. Dans les degrés Celsius auxquels nous sommes habitués, cette température est de -273,15 degrés.

Qu'est-ce que la température ? C'est une mesure quantitative de la chaleur d'un corps physique. De quoi dépend la température ? Pourquoi certains corps ont une température plus élevée et d'autres une température plus basse ? Qu'est-ce qui les distingue les uns des autres ?

La principale différence est la vitesse du mouvement brownien des particules qui composent un corps - atomes et molécules. Plus les molécules et les atomes se déplacent rapidement, plus la température du corps est élevée, plus elle est lente, plus elle est basse. Plus précisément, les corps chauffés ont une énergie cinétique moyenne plus élevée des particules qui composent le corps.

Lorsqu'un objet se refroidit, la vitesse moyenne des particules qui le composent diminue. Ainsi, le zéro absolu est une température hypothétique à laquelle le mouvement thermique des particules s'arrête complètement.

Pourquoi hypothétique ? Car une telle température est inatteignable. Afin de refroidir un corps jusqu'au zéro absolu thermodynamiquement, vous auriez besoin d'un réfrigérant plus froid que le zéro absolu, mais cela est impossible. Pour que le réfrigérant ait une température inférieure au zéro absolu, l'énergie cinétique moyenne du mouvement de ses particules doit devenir négative, ce qui est impossible - l'énergie cinétique est directement proportionnelle au carré de la vitesse et de la masse. Pour qu'elle devienne négative, il faut soit que la vitesse soit exprimée par un nombre complexe, soit que la masse devienne négative.

Les corps refroidis à des températures proches du zéro absolu commencent à présenter des propriétés intéressantes qui ne leur sont pas inhérentes dans des conditions normales, telles que la supraconductivité, la superfluidité, etc.

D'accord, si le zéro absolu est la limite inférieure de température possible, y a-t-il une limite supérieure ? Et la réponse est oui! La limite supérieure de température est la température dite de Planck. Cela équivaut à environ 1,417 × 1⁰³² kelvin, ou degrés Celsius - sur cette échelle, la différence entre l'échelle Celsius et l'échelle Kelvin est si petite qu'elle peut être négligée.

La signification physique de la température de Planck est la suivante : la longueur d'onde de la lumière émise par un corps chauffé peut être calculée en fonction de sa température. Plus la température est élevée, plus la longueur d'onde est petite. À la température de Planck, la longueur d'onde de la lumière émise devient égale à une autre constante fondamentale - la longueur de Planck (1,616 × 10-⁵ m) et les effets de la gravité quantique commencent à fonctionner.

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À ce stade, la physique moderne est dans une impasse, car nous ne disposons pas encore d'une théorie développée de la gravité quantique et nous ne pouvons donc pas décrire de manière fiable le comportement des corps ayant une température supérieure à la température de Planck dans le cadre de la physique moderne.

Soi-disant, l'univers avait une température égale à la température de Planck dans les premières nanosecondes après le big bang. Mais ce n'est pas certain.

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