Si vous pensiez qu'une chambre d'enfant, un lauréat norvégien du prix Nobel et un pointeur laser n'avaient rien en commun, deux physiciens UA sont sur le point de vous éclairer.

C'est dur à croire, mais après avoir démêlé plusieurs des lois qui font fonctionner l'univers, les physiciens ne sont toujours pas parvenus à un accord sur le fait de savoir si quelque chose d'aussi simple que "chaud" ou "froid" peut être mesuré dans un système dans certaines circonstances.

"Imaginez que vous ayez jeté un iceberg au soleil et juste avant qu'il ne fonde et ne disparaisse, tu voulais savoir, « À quel point cet iceberg est-il chaud à ce moment-là ? » Serait-ce une question significative à poser ?", déclare Charles Stafford, professeur au Département de physique du Collège des sciences de l'UA. « Selon la physique traditionnelle, ce ne serait pas le cas."

Mettre tout simplement, les connaissances traditionnelles soutiennent que des propriétés telles que la température ou la tension ne peuvent être mesurées que tant qu'un système est en équilibre. (Indice :un iceberg plongeant dans le soleil ne l'est pas.)

"La température et la tension sont deux variables de base développées au 19ème siècle, " Stafford dit, "Il peut donc être surprenant que de telles notions de base aient jusqu'à présent manqué d'une définition mathématiquement rigoureuse, sauf pour le cas de l'équilibre, un cas idéalisé qui ne se produit pas réellement dans la nature, sauf peut-être pour la "mort par la chaleur" prédite pour marquer la fin de l'univers."

Avec le doctorant Abhay Shastry, le premier auteur de l'étude, Stafford a utilisé la modélisation mathématique pour explorer cette énigme. Ils ont récemment publié leurs résultats dans la revue Examen physique B . Leur manuscrit montre que ces deux quantités sont si étroitement liées qu'il est impossible de connaître l'une sans connaître l'autre.

"Nous avons montré qu'en réalité n'importe quel état d'un système quel qu'il soit, même loin de l'équilibre, peut être caractérisé par une température, " dit Stafford.

C'est là que la chambre des enfants entre en jeu. (Nous reviendrons sur les lauréats du prix Nobel et les pointeurs laser dans un instant.)

Tout dans l'univers, des quarks aux galaxies, a une tendance inhérente à atteindre l'équilibre avec son environnement et à se diriger vers le plus grand degré de désordre possible. En réalité, Ce phénomène, appelée entropie et décrite dans la deuxième loi de la thermodynamique, c'est un peu plus compliqué, mais ne nous en inquiétons pas pour l'instant. Après tout, nous le savons intuitivement :placez un glaçon dans une boisson et laissez-le tranquille pendant un moment ; bientôt, les molécules d'eau dans le glaçon ont quitté leur structure cristalline hautement ordonnée et se sont installées dans un équilibre confortable, se mêlant joyeusement à leur désordre, frères d'eau. Il en va de même pour les affaires dans la chambre des enfants :laissez les choses tranquilles un moment sans ranger, vous voyez l'idée.

Cet iceberg qui est sur le point de se vaporiser lorsque nous l'avons jeté au soleil plus tôt illustre un système qui est très, très loin de l'équilibre, mais regardons un exemple plus quotidien :un pointeur laser ordinaire. Lorsque vous appuyez sur le bouton pour activer ce point de lumière rouge dont votre chat est si fou, un enfer se déchaîne à l'intérieur du petit appareil.

"Quand ils lasent, les électrons à l'intérieur de l'appareil deviennent plus chauds qu'une température que nous appelons "plus l'infini", '" dit Shastry. "Si vous faites chauffer une casserole d'eau, peu importe la chaleur, même si tu l'as vaporisé à un million de degrés, il ne serait toujours pas aussi chaud que les électrons du laser."

Maintenant, il est important de préciser que nous parlons ici de phénomènes quantiques, en l'occurrence la température électronique, ce qui n'a rien à voir avec la température de la lumière laser et c'est la raison pour laquelle votre pointeur laser ne se vaporise pas instantanément dans votre main lors de l'activation.

Néanmoins, si vous pouviez toucher les électrons de votre laser, ça se sentirait très, très chaud, Shastry explique.

Le point, selon les deux physiciens, c'est que lorsqu'un laser émet un laser, il est très loin de l'équilibre, bien plus que, dire, phénomènes météorologiques. Contrairement à la météo, qui est largement motivé par les différences thermiques, les systèmes tels que les semi-conducteurs et les appareils électroniques sont entraînés électriquement, qui peuvent pousser leurs composants - dans ce cas, électrons, bien plus éloignés de l'équilibre que la chaleur.

Sous la vue actuelle, les physiciens diraient qu'il est impossible de mesurer la température dans un tel appareil loin de l'équilibre. Les résultats de Stafford et Shastry disent, Oui, ça peut être fait, mais cela évoque une autre question :pourquoi le voudrait-on ?

"La technologie microélectronique actuelle est limitée par le fait que les appareils dissipent beaucoup de chaleur, et ils deviennent de plus en plus petits, " dit Stafford. " Comme ils deviennent plus petits, ils dissipent plus de chaleur, cela crée donc un gros problème pour l'avancement de la technologie.

"Parce que nous montrons qu'il est possible de définir des températures et des tensions même à l'échelle subatomique, et le définir rigoureusement, on pourrait espérer fabriquer des appareils intégrés de telle manière qu'on puisse avoir un refroidissement local d'un seul endroit sur l'appareil où se trouve ce transistor qui devient vraiment chaud, au lieu de refroidir toute la puce. Actuellement, il n'y a aucun moyen de faire quelque chose comme ça."

Stafford et Shastry explorent actuellement une éventuelle collaboration avec Pramod Reddy, un collègue de l'Université du Michigan dont le laboratoire a établi le record en créant un thermomètre capable de sonder la température à travers quelques atomes, soumettre leurs découvertes à une étude expérimentale.

Un autre exemple auquel les travaux pourraient s'appliquer est la résonance magnétique nucléaire, une technologie couramment utilisée en imagerie médicale.

"Quelqu'un qui a vécu cela n'aurait peut-être pas réalisé que les noyaux atomiques de son corps étaient placés dans un état de température négative absolue, qui est plus chaud que tout dans l'univers, mais c'est le cas, " dit Stafford.

"Notre théorie est très générale. Elle s'applique à beaucoup de choses, des plasmas quarks-gluons générés dans les accélérateurs de particules aux pointeurs laser vers les étoiles à neutrons, " dit Shastry. " Ils suivent tous exactement le même formalisme. "

En tant que produit secondaire de cette recherche, Shastry et Stafford fournissent la première preuve d'une version de la deuxième loi de la thermodynamique formulée en 1931 par le chimiste norvégien Lars Onsager, qui s'applique notamment aux procédés thermoélectriques, un exploit qui avait échappé à la communauté des physiciens pendant 85 ans.

"La deuxième loi de la thermodynamique est la plus générale des lois de la physique, mais toutes les lois de la nature, " dit Stafford. " Et il y a beaucoup de praticiens dans ce domaine de la physique quantique qui proposent que la deuxième loi ne s'applique pas aux systèmes qui sont dans un état qui est loin de l'équilibre, mais nous montrons que c'est le cas."

Comme il s'avère, tout doit respecter la deuxième loi. Y compris une chambre d'enfant.