Cienciaes.com : Heinke Kammerlingh Onnes, l’explorateur du froid.

Il est très facile d’obtenir des glaçons, même en été, il suffit d’ouvrir le réfrigérateur. Refroidir une substance est tellement habituel pour nous que cela n’a pas d’importance, d’ailleurs, vu la facilité avec laquelle le thermomètre enregistre des températures inférieures à zéro dans notre cuisine, on pourrait en venir à l’idée, erronée d’ailleurs, que l’on peut refroidir une substance à l’infini. Non ce n’est pas vrai. En matière de températures, la nature nous surprend avec un chiffre magique : 273,15 ºC sous zéro. Le zéro absolu. Rien ne peut être plus froid.

C’est le physicien français Charles qui, pour la première fois, est arrivé à ce nombre étrange et il l’a fait en poussant à l’extrême son raisonnement sur un phénomène curieux. Le physicien français avait vérifié que les gaz, une fois refroidis, se contractent. C’est facile à vérifier : gonflez un ballon et mettez-le au réfrigérateur, vous verrez comment, en refroidissant, il diminue de volume ; puis laissez-le dehors, à température ambiante, et vous observerez comment il se gonfle à nouveau jusqu’à ce qu’il retrouve sa taille d’origine.

Charles a mesuré la contraction des gaz avec la température et a découvert que tout gaz à 0 °C contracte 1/273 de son volume pour chaque degré de baisse de température. Il expérimenta différents gaz et obtint avec tous le même résultat. Intrigué, il raisonna ainsi : « Si nous prenons 273 litres d’un gaz à 0°C et commençons à le refroidir, pour chaque degré de baisse de température son volume sera d’un litre de moins, à -2°C il occupera deux litres de moins et, continuant ainsi, à 273 ºC sous zéro, le gaz perdra son dernier litre. Il disparaîtra complètement.”

Que les choses disparaissent, comme par magie, est une chose très désagréable en science, alors tout le monde se doutait que, lorsque la température baissait beaucoup, la loi de Charles ne tiendrait plus. Ce n’était qu’une supposition car personne, jusque-là, n’avait réussi à s’approcher de ce chiffre pour le vérifier. Une explication cohérente du phénomène s’imposait et s’accompagnait d’une vieille théorie, établie 2 400 ans plus tôt par le grec Démocrite, et oubliée depuis : la théorie atomique.

Selon la théorie atomique, les gaz sont constitués de petites molécules qui se déplacent à une vitesse considérable, comme un énorme essaim d’abeilles autour d’un rayon de miel. Plus la température du gaz est élevée, plus la vitesse de ses molécules est grande et “plus elles ont besoin d’espace pour se déplacer”, c’est-à-dire qu’elles occupent un volume plus important. Lorsque la température diminue, les molécules se déplacent plus lentement et le volume diminue.

Dans les années 1860, le britannique Lord Kelvin suggéra que c’est l’énergie des molécules qui diminue de 1/273 pour chaque degré de refroidissement. Appliquant ce raisonnement, il est arrivé à la conclusion qu’à 273 degrés sous zéro, les molécules de gaz ne disparaissent pas mais restent simplement immobiles. Cette température est fixée aujourd’hui à 273,15 degrés sous zéro et, en l’honneur de Kelvin, une nouvelle échelle de température a été créée qui commence à compter à partir de ce point : le zéro absolu.

A partir de ce moment a commencé une course pour atteindre le zéro absolu. L’idée générale était que les gaz se liquéfient d’abord puis gèlent jusqu’à ce que leurs molécules soient absolument immobiles. Jouant avec la pression et l’évaporation de certaines substances et d’autres, un à un, les gaz se liquéfient au fur et à mesure que les températures baissent. Chlore, dioxyde de carbone, air, oxygène, etc. Dans le processus, des méthodes industrielles ont été développées pour produire des températures toujours plus basses. En l’an 1900, l’hydrogène s’est liquéfié à 240 ºC sous zéro, à seulement 33 degrés au-dessus du zéro absolu. Le but se rapprochait.

La victoire sur l’hydrogène a été une grande réussite, mais il restait encore du chemin à parcourir. Les gaz nobles, en particulier le plus léger de tous, l’hélium, ont refusé de se liquéfier. Il a été réalisé par le physicien néerlandais Heinke Kammerlingh Onnes et pour cela, il a dû atteindre des températures de 272,3 ºC en dessous de zéro, moins d’un degré au-dessus du zéro absolu. C’est alors que la matière montra son côté le plus capricieux. Certaines substances perdent leur résistance au passage du courant électrique et deviennent supraconductrices, d’autres s’écoulent librement par les plus petites ouvertures et deviennent superfluides. Une fois de plus, la science a ouvert les portes d’un monde surprenant, presque magique.

Actuellement, les scientifiques ont réussi à approcher quelques billionièmes de degré du zéro absolu, mais l’objectif reste inaccessible. Comme dans l’histoire d’Achille et de la tortue, quand les scientifiques parcourent une distance, le but est toujours plus loin, se moquant d’eux.

Pour ses réalisations, Heinke Kammerlingh Onnes a reçu le prix Nobel de physique en 1913. Aujourd’hui, nous vous proposons l’histoire de sa vie.