Le démon de Maxwell prétend qu’il y a un moyen de contourner cette loi de la physique

La physique est pleine de lois étranges et de règles peu intuitives qu’il peut être difficile de tester en laboratoire.

C’est pourquoi elle est aussi pleine d’expériences de pensée : des scénarios amusants qui éclairent un élément par ailleurs obscur de la science. (Chat de Schrödinger, quelqu’un ?) Par exemple, que savez-vous de la deuxième loi de la thermodynamique ? Pensez au démon de Maxwell, et vous comprendrez un peu mieux.

Le démon de Maxwell

Cette expérience de pensée a été présentée pour la première fois par le physicien écossais James Clerk Maxwell dans son livre “Theory of Heat” de 1871. Dans ce qu’on appelle l’un des passages les plus cités en physique, Maxwell commence par exposer la deuxième loi de la thermodynamique. La partie pertinente ? Si la température et la pression sont uniformément réparties dans un système fermé, vous ne pouvez pas forcer cette répartition à devenir inégale sans travailler, c’est-à-dire sans exercer de l’énergie.

Maxwell veut que vous imaginiez qu’il y a un petit être vraiment intelligent (son “démon”, bien que ce nom soit venu après l’expérience de la pensée). Le démon peut observer des molécules individuelles pour distinguer celles qui sont chaudes (qui se déplacent rapidement) de celles qui sont froides (qui se déplacent lentement). Il ne dit pas “Imaginez que la magie est réelle” ; son soi-disant démon n’est qu’une métaphore du genre de technologie avancée qu’il croyait que nous pourrions un jour avoir pour ce genre de chose.

Maxwell utilise une chambre remplie de gaz dans cette expérience de pensée, mais pour un exemple du monde réel, faites comme s’il y avait une piscine. Elle est séparée au milieu par un mur solide. L’eau est à la même température des deux côtés, ce qui signifie qu’elle a à peu près le même mélange de molécules qui se déplacent rapidement et de molécules qui se déplacent lentement, mais l’eau ne peut passer à travers la paroi que par une seule ouverture de la taille d’une molécule.

Le démon – portant un maillot de bain et un tuba, sans aucun doute – est assis près de l’ouverture et repère toutes les molécules qui se déplacent rapidement et lentement. Chaque fois qu’il attrape une molécule chaude et rapide, il l’envoie dans la face B. Chaque fois qu’il attrape une molécule froide et lente, il l’envoie dans la face A. “Il va ainsi, sans dépense de travail, conclut Maxwell, élever la température de B et baisser celle de A, en contradiction avec la seconde loi thermodynamique.”

Une représentation schématique du démon de Maxwell.

Maxwell a utilisé cette expérience de pensée pour souligner que certaines “lois” de l’Univers n’existent peut-être qu’en raison de nos limites scientifiques. Les scientifiques de l’époque n’avaient pas la technologie nécessaire pour localiser et contrôler les molécules individuelles, mais s’ils l’avaient fait, dit Maxwell, ils pourraient contredire la deuxième loi de la thermodynamique. Cela changerait complètement notre approche de l’énergie. Si vous pouviez exploiter la puissance de la chaleur sans utiliser d’énergie en premier lieu, cela signifierait de l’énergie gratuite. Nous n’aurions pas besoin de pétrole, de panneaux solaires ou d’énergie nucléaire ; une technologie aussi primitive que les moteurs à vapeur pourrait fonctionner pour toujours sans carburant. Nous avons eu plus d’un siècle de progrès technologique depuis l’expérience de pensée de Maxwell, alors où sont nos machines à mouvement perpétuel ?

Le diable est dans les détails

Comme vous l’aurez deviné, il y a des problèmes avec le démon de Maxwell. La plus grande objection est celle-ci : Si le “démon” était un dispositif réel et non un être magique, il utiliserait de l’énergie pour détecter les molécules individuelles et pour déclencher l’ouverture entre les chambres. Plus précisément, le démon utiliserait en fait plus d’énergie pour identifier et déplacer les molécules que vous ne pourriez en tirer du produit final.

Bien sûr, cette expérience de pensée ne continuerait pas d’apparaître dans les journaux scientifiques si elle était si facilement démystifiée. Les scientifiques continuent de débattre et de tester les moindres détails du démon de Maxwell et des progrès ont été réalisés, en particulier dans le domaine de la physique quantique. Peut-être qu’un jour, nous serons aussi intelligents que la petite créature de Maxwell. Vous n’aurez plus jamais à recharger votre téléphone !

Lire aussi : Vous pensiez que la mécanique quantique était bizarre : consultez le temps enchevêtré

Source : Curiosity – Traduit par Anguille sous roche