Science ou science-fiction ? Parfois, la frontière semble aussi fine que l’atmosphère d’une planète lointaine. Et la découverte dont il est question ici aurait de quoi nourrir les deux : une équipe du Center for KINETIC Plasma Physics de l’Université de Virginie-Occidentale vient de franchir ce que l’on pensait être un mur indépassable depuis 1850. En étudiant comment l’énergie circule dans de mystérieux plasmas surchauffés de l’espace, ces chercheurs ont réussi à généraliser la fameuse première loi de la thermodynamique à des systèmes considérés jusqu’ici comme hors de portée. Rien que ça.
Retour sur la première loi : un socle (jusque-là) inamovible
Pour comprendre la révolution, petit rappel : le premier principe de la thermodynamique affirme que lors de toute transformation dans un système à l’équilibre, l’énergie est conservée. L’énergie ne se crée pas, ne disparaît pas, mais change simplement de forme. Prenez un ballon de baudruche : si vous le chauffez, la loi vous dira combien il gonfle, et combien les gaz à l’intérieur se réchauffent. « La clé, c’est que la quantité totale d’énergie qui fait gonfler le ballon et chauffer le gaz est exactement égale à la quantité de chaleur fournie au ballon », détaille Paul Cassak, professeur et directeur associé du centre en question.
Ce principe posé en 1850 est un des piliers de la physique. Mais il a une faille : il ne s’applique qu’aux systèmes en équilibre (ou très proches), là où une température peut être bien définie. Or, la nature – surtout dans l’espace – est pleine de situations chaotiques et hors équilibre, grandes oubliées de la théorie jusqu’ici. Depuis plus d’un siècle, la question taraude : peut-on étendre cette loi sacrée à ces systèmes exotiques qui défient le calme de l’équilibre ?
Les plasmas spatiaux : laboratoire du futur à portée de main
Les plasmas spatiaux, ces brouilles de particules chargées qui peuplent l’univers, sont emblématiques de ce défi. Ils sont partout – et loin du confort de l’équilibre thermodynamique. « Les plasmas faiblement collisionnels et sans collision s’écartent fortement de l’équilibre local, et comprendre la conversion d’énergie dans ces systèmes est un sacré défi », résume le duo Cassak-Barbhuiya dans Physical Review Letters.
Cassak et Hasan Barbhuiya, son collègue assistant de recherche, se sont donc penchés sur la question via l’expérience PHASMA (PHAse Space MApping). Leur laboratoire, unique au monde, traque en 3D les vitesses des electrons et ions dans les plasmas à échelle cinétique. Grâce à la fonction de distribution des vitesses, ils déterminent pour chaque espèce la densité, le débit moyen et la température. Tour de magie ? Non : des plasmas spécialement conçus pour ressembler à ceux qu’on trouve dans l’espace. On ne fait pas plus authentique.
- Mesures tridimensionnelles précisément ciblées
- Déduction des propriétés clés des plasmas spatiaux
- Laboratoire pensé pour reproduire des systèmes loin de l’équilibre
Une percée théorique, des applications potentielles… et beaucoup de questions passionnantes
Résultat : après un calcul certes, « au crayon et au papier », le cortège de résultats est là. Ils ont réussi à généraliser la première loi pour des systèmes non en équilibre ! Jusqu’alors, on ne considérait que les changements d’énergie thermique interne et de densité. Désormais, la nouvelle théorie permet de calculer toute l’énergie due au déséquilibre lui-même. Comme le précisent les chercheurs, ils abordent « la conversion d’énergie associée à tous les moments d’ordre supérieur de la densité de l’espace des phases pour les systèmes hors équilibre local ».
Duncan Lorimer, professeur et président par intérim du département de physique et d’astronomie de l’université, ne cache pas son admiration : « Prendre une de ces lois qui existe depuis plus de 150 ans et l’améliorer est une réalisation majeure » – surtout quand on sait que la physique universelle ne compte, au fond, que quelques grandes lois (Newton, électromagnétisme, thermodynamique, quantique… et puis c’est à peu près tout).
Les perspectives sont multiples :
- Plasmas à basse température : concernés dans des procédés industriels comme le dépôt, la gravure, le traitement de surface ou le dopage des semi-conducteurs
- Recherche sur la fusion nucléaire
- Astronomie : étude de l’évolution des galaxies, meilleure compréhension des plasmas surchauffés lors d’éruptions solaires, prévisions météo spatiale
« Nous espérons que les scientifiques d’un grand nombre de domaines pourront utiliser nos résultats », confie Barbhuiya, avec la modestie des grandes découvertes.
En conclusion, il s’agit d’un vrai coup de tonnerre dans la sérénité silencieuse des lois physiques. Ce progrès ne remet pas la conservation de l’énergie en cause, mais offre aux chercheurs un nouvel outil pour explorer ces territoires de l’inconnu loin de l’équilibre. Reste à guetter comment cet élargissement s’invitera dans nos technologies futures… et à rêver un peu : qui sait ce que la science-fiction, cette fois, s’empressera d’en faire ?
