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Physique fondamentale. Les principes de la thermodynamique sont-ils compatibles avec la Mécanique quantique? 

La révolution de la Thermodynamique quantique

La Thermodynamique repose, rappelons le, sur deux  Principes. Pour le Premier Principe, toute transformation d'un système fermé au sein d'un milieu se fait à énergie constante. La variation de l'énergie du système est égale à la quantité d'énergie échangée avec le milieu extérieur, par transfert thermique (chaleur) et transfert mécanique (travail). 

Quant au Second Principe, il pose que toute transformation d'un système thermodynamique s'effectue avec augmentation de l'entropie globale incluant l'entropie du système et du milieu extérieur. On dit alors qu'il y a création d'entropie. C'est ce que traduit la formule fondamentale; E (entropie) plus grand ou égal à zéro. 

Le terme d'entropie a été introduit en 1865 par Rudolf Clausius à partir d'un mot grec signifiant « transformation ». Il caractérise le degré de désorganisation, ou d'imprédictibilité du contenu en information d'un système. Autrement dit, toute évolution d'un système ordonné se traduit par des résultats désordonnés. Il est impossible d'envisager l'inverse, c'est-à-dire la création (sans apport d'énergie) d'ordre à partir du désordre.

Ainsi, concernant l'Univers, il est passé d'un état de basse entropie, caractérisant l'ordre régnant peu après le Big Bang, à une explosion de systèmes à haute entropie désordonnés, galaxies, planètes et vie au sein d'une de celle-ci, la Terre. Il en découle notamment un Temps qui s'écoule de façon irréversible. 

Pour la Mécanique Quantique, au contraire, qui s'appliquait initialement à des particules élémentaires individuelles dite particules quantiques, deux particules peuvent être « intriquées », l'état de l'une s'appliquant immédiatement à l'autre, et en état de superposition, la particule pouvant être à la fois dans un état de basse et de haute énergie. Il en résulte notamment, concernant le Temps, qu'il peut être réversible. Plus précisément, la MQ ne fait pas appel au Temps. 

Rappelons que ces deux grands systèmes théoriques ont été amplement prouvés par l'expérience. Une science en développement, la Gravitation quantique, s'efforce actuellement de les concilier. Nous avions précédemment rappelé que le physicien italien Carlo Rovelli en est aujourd'hui le meilleur théoricien. 

Les perspectives de la Thermodynamique quantique

Ceci dit, faut-il faire appel à la Gravitation Quantique pour résoudre ce conflit? Les travaux des physiciens Vlatko Vedral, Tobias Schaetz et de quelques autres pourraient montrer le contraire. Ils font appel à la Thermodynamique quantique. On peut considérer celle-ci comme un premier pas vers la Gravitation quantique.

Un article de Vlatko Vedral publié par le NewScientist du 7 avril 2018, (cf références ci-dessous) présente deux systèmes expérimentaux pouvant montrer qu'un Système isolé pourrait perdre de l'énergie, puis la récupérer, au moins partiellement. Concernant le Temps, cela signifierait qu'il pourrait, au moins partiellement, être réversible. 

Vlatko Vedral reconnaît que les causes de ce paradoxe ne sont pas encore élucidées en termes scientifiques. Mais lui et ses collègues espèrent mettre rapidement au point ce qu'ils nomment des machines quantiques. Celles-ci fonctionneraient, dans l'ensemble, sans perte de chaleur, Ainsi serait retrouvé, en termes modernes, le principe de la machine à mouvement perpétuel. 

Un point important de l'article, concernant ceux qui s'intéressent aux phénomènes quantiques dans le fonctionnement des systèmes vivants, est que l'évolution de ceux-ci aurait pu faire apparaître de telles machines, dont les mitochondries productrices d'énergie au sein de la cellule seraient un des résultats. A une toute autre échelle, celle de l'Univers, on pourrait admettre que si celui-ci évolue globalement selon le 2e Principe, il pourrait comporter des ensembles fonctionnant de façon inverse. Autrement dit, le Temps tel que nous l'entendons s'y déroulerait à l'envers. 

Restera dans les prochains mois à perfectionner, pour mieux les comprendre et surtout généraliser leurs applications, notamment en informatique quantique, les « quantum heat machines » de Vedral et de ses collègues, dont existent dorénavant des prototypes semble-t-il indiscutables. 

Références

* Vedral https://www.newscientist.com/article/mg23731720-400-im-building-a-machine-that-breaks-the-rules-of-reality/

* Voir aussi, précédemment, Vedral https://www.newscientist.com/article/mg21628861-700-the-surprise-theory-of-everything/

* Sur Vlatko Vedral https://en.wikipedia.org/wiki/Vlatko_Vedral

* Sur ce sujet, voir un article précédant (avec image) https://phys.org/news/2015-12-physicists-thermodynamic-irreversibility-quantum.html

* Sur le sujet, on pourra lire en français https://actualite.housseniawriting.com/science/physique/physique-quantique/2015/12/04/le-temps-est-irreversible-meme-au-niveau-quantique/11305/


 

19/04/2018
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