Comment définir le zéro absolu ?

Les scientifiques, dans leur recherche préfèrent utiliser des repères qui sont universellement acceptés et incontestables et qui ne dépendent pas de conventions humaines. Contrairement aux échelles de température comme Celsius (°C) ou Fahrenheit (°F), qui sont pratiques pour notre vie de tous les jours. Ces points de référence leur permettent de construire des théories scientifiques notamment dans le monde des températures qui possède un point mystérieux et inaccessible, le zéro absolu.

Qu'est-ce que la température ?

Avec la fluctuation de la température, la matière (exemple l'eau) passe de solide à liquide puis à l'état gazeux. Cela s'accompagne de dilatations progressives. La matière paraît de moins en moins stable. Les molécules sont figées dans la phase solide, coulissent entre elles en phase liquide, pour s'échapper de manière désordonnée en phase gazeuse.

C'est l’agitation thermique interne : plus la température est élevée, plus les molécules bougent et vibrent microscopiquement . 
Finalement la température est la mesure de l'énergie interne de la matière, qui se propage par collisions successives de proche en proche pour tendre vers une répartition uniforme.

Comment définir le zéro absolu ?

Nous utilisons une échelle de 100 degrés entre la fonte de la glace et l'ébullition de l'eau sur Terre (au niveau de la mer) pour avoir une grandeur de température mesurable reproductible. Notre zéro de l'échelle Celsius est un zéro conventionnel et relatif. Nous rencontrons des températures négatives sur terre et dans l'espace : - 89 °C dans l'Antarctique, -218 °C estimée sur Neptune, extrêmement lointaine du Soleil.

Peut-on descendre plus bas ? Jusqu'où ? La valeur théorique de - 273,15°C est retenue comme la plus basse qui puisse exister. C'est le zéro absolu, vu par le prisme de la température.
La loi des gaz parfaits définit une relation de proportionnalité entre la température et le produit pression-volume. Le scientifique français Amontons, qui explorait vers 1700 ces relations de proportionnalité, extrapola une valeur commune où la pression deviendrait nulle. La propriété des gaz est insuffisante pour définir le zéro absolu car certain gaz se liquéfient avant. L'oxygène à −182,96 °C, l'azote, à −195,79 °C, l'hydrogène à −252,76 °C, et l'hélium vers −269 °C.

On peut même solidifier les gaz, l'azote vers -210°C par exemple, l'hélium aussi réclamant lui une pression considérable.
Pour s'affranchir des gaz, Lord Kelvin (William Thomson) institua une échelle établissant une relation directe entre chaleur apportée et variation de température. Au zéro absolu, plus aucune chaleur ne peut être retirée d'un corps. L'unité Kelvin correspond au degré Celsius. Les deux échelles sont simplement décalées de 273,15°, mais l'échelle Kelvin ne comprend aucune valeur négative. Son zéro devient alors de fait absolu.

L'approche scientifique moderne définit le zéro absolu comme le niveau d'énergie le plus bas de la matière, où les atomes sont dans leur état fondamental. Plus le niveau est élevé, plus les atomes sont agités, se entrechoquent et se repoussent. Walther Nernst affirma le premier qu'un cristal au zéro absolu avait un état de désordre ou d’entropie nulle (aucun mouvement d’atomes).

Mesurer et atteindre le zéro absolu !

Il est difficile de mesurer les températures ultra-basses, car elles pourraient ce réchauffées au contact d'un simple thermomètre. Les scientifiques y consacrent beaucoup de temps et de moyens sophistiqués.

Comme toute limite, on ne peut que s'approcher du zéro absolu, sans jamais l'atteindre. Une technique d'évaporation de l'hélium permet d'atteindre 0.21 K, d'autres très spécifiques permettent des records de laboratoire de l'ordre du microkelvin ou même nano kelvin. Ces températures ultra-basses présentent des intérêts remarquables car la matière acquiert parfois des propriétés étranges.

Des applications utiles et surprenantes.

Les gaz liquéfiés sont très utilisés dans l'industrie, en particulier l'azote. Oxygène et hydrogène liquides servent de propulsion dans l'espace. L'hydrogène liquide peut alimenter la pile à combustible d'une voiture propre.
Si la cryogénisation d'un être humain reste encore un phantasme, elle sert à la préservation d'organes et elle est utilisée largement dans l'industrie alimentaire. Elle permet aussi d'obtenir toutes sortes de poudres et de neiges. La cryochirurgie est très efficace aussi.

L'état proche du zéro absolu entraîne des comportements étonnants. Les plus connus sont la supraconductivité et la superfluidité.

Si les applications de superfluidité demeurent au niveau de la recherche, la supraconductivité est plus utilisée. C'est le rêve de l'informatique pour augmenter la puissance des supercalculateurs. Les capteurs font appel à la cryogénie. En effet, le bruit diminue dans l'électronique, et la résolution augmente car la moindre particule apporte une chaleur détectable. Dans nos hôpitaux, les scanners RMN refroidis à l'hélium liquide sont une grande preuve de l'utilité concrète de la cryogénie.