Reprenant avec un plaisir que vous ne devinez pas le chemin de la physique théoriqueje retrouve aujourd’hui l’article de JEROME NOVAKsur les étoiles à neutrons que j’avais abandonné depuis plus d’une semaine …..Et là nous allons aborder le problème, posé par cet auteur, du mystère de la loi qui régit les assemblages de particulesmatérielles quand elles sont toutes semblables ……..
1/ LES SPHERES DURES DE VAN DER WALLS
Bien que vous en ayant succinctement déjà parlé, je me vois forcé d’y revenir ……. Dans le cas de la matière ordinaire solide ou liquide , lorsque vous cherchezà lui faire atteindre sa densité maximale, vous avez plusieurs moyens de le faire thermodynamiquement , vous pouvez la refroidir( elle se contracte ) , la comprimer ( vous l obligez à se contracter)ou encore si elle possède certaines propriétésvous pouvez agir par des voies plus subtiles .c ‘est par exemple ainsi que Kamerlingh-Onnes àl’ Université de Leiden a réussi en 1908 par démagnétisation adiabatique de substances paramagnétique à atteindre la température la plus basse jamais obtenue ……depuis on a fait encore mieux : 450 pK (soit 0,45 nK ou 0,00000000045 K), c'est-à-dire -273,14999999955°C, est le record atteint en 2003 au laboratoire de recherches du Massachusetts Institute of Technology (MIT) par une équipe codirigée par le prix Nobel de physique Wolfgang Ketterle
Vous devez alors vous poser la question : qu’est ce qui empêche dans la matière ordinaire les molécules et les atomesd’un solide,si on réussissait àle refroidir a 0° kelvin ( le zéro absolu), d’atteindre sa densité maximale ?????
La réponse est simple : molécules et atomessont déjà des assemblages de particules encore plus élémentaires ,plus petites, noyaux et électrons ( qui s’attirent ou se repoussent car chargées électriquement ) . E t pour une température donnéeces liaisons ( soit ionique , covalente ou métallique) présentent une valeur statistique de leur distance mutuellequi dépend de leurs caractéristiques propres ……
Mais me dites-vous EN DEHORS DE CES CAS DE LIAISONSqu’est ce qui pourrait empêcherde forcerdeux atomes voisins NEUTRES dese rapprocher encore davantage, si on trouvait « un truc » pour baisser leur température ? Nous abordons un problème qui a été traitépar plusieurs physiciens( VAN DER WALLS/MARGENAU/LENNARD-JONES /LONDON ) : leurs nuages électroniquesen viendraient à s’ interpénétrer et ils se repousseraient . C’est LONDON qui a appelé cette répulsion comme « forces de dispersion » et qui les a déterminées …..Je vous présente ci-après un tableau des « sphères dures »,de VAN DER WALLSpour quelque éléments connus…
C’est en somme leur dimension minimale et d’intimité inviolable !
2 /RENTRONSAUSSI MAINTENANT UN PEU PLUS DANS LA THERMODYNAMIQUE ……
Théoriquement à 0° K, une substance ne contient plus à l'échelle macroscopique l'énergie thermique (ou la chaleur) nécessaire à l'occupation de plusieurs niveaux énergétiques différents . Les particules qui la composent sont supposées toutes dans le même état d'énergie minimale dit état fondamental. Cela DEVRAITse traduire par une entropie nulle due à l'indiscernabilité de ces particules dans ce même niveau d'énergie fondamentale et par une totale immobilité au sens mécanique . Or en réalité , on sait que selon la physique quantique, les particules possèdent toujours une quantité de mouvement non nulle non cessible d'après le principe d'incertitude (Heisenberg).
Et pourquoi ????En tendant vers le zéro absolu, les molécules d'un corps auraient leur quantité de mouvement de plus en plus précisément définie , leurs positions auraient tendance à présenter une valeur indéterminéeintrinsèque résiduelle de plus en plus petite .. En fait, elles tendent vers un état d'énergie minimalemais non nulle , aux approches du zéro absolu, ; À 0 K, une substance ne contient plus à l'échelle macroscopique l'énergie thermique (ou chaleur) nécessaire à l'occupation de plusieurs niveaux énergétiques microscopiques. Les particules qui la composent (atomes, molécules) sont toutes tombées dans le même état d'énergie minimale (état fondamental). Mais en fait, on sait que selon la physique quantique, les particules possèdent toujours une quantité de mouvement non nulle d'après le principe d'incertitude (Heisenberg).
En effet, en tendant vers le zéro absolu, les molécules d'un corps auraient leur quantité de mouvement de plus en plus précisément définie et proche de zéro…leurs positions auraient tendance à avoir une indétermination intrinsèque résiduelle de plus en plus petite …Mais comme elles tendent aussi vers l'arrêt, leurs positions tendraient aussi à être précisément définies. En fait, elles tendent vers un état d'énergie minimale ( l’énergie vibratoire de l’oscillateur harmonique dite énergie du point zéro) et ceci explique quele zéro degré kelvin est la température minimale qui n'est JAMAIS atteinte qu'asymptotiquement
3 :LA MATIERE DÉGÉNÉRÉE / L’ENERGIE DE FERMI
Supposons alors maintenant , comme J.NOVAKnous le propose, un mécanismede formation d’étoile qui nous amène à un assemblage de particules matérielles soumises à une valeur de densité énormissime( car le cœur de cet assemblage « tient » par une interaction gravitationnelle démesurée ) …QUEPEUT ON PREDIREsur la configuration d’un tel astre ???
Le principe d'exclusion de Pauli interdit à deux particules de spindemi entier d'être dans le même état quantique dont les deux variables sont le spin, et le niveau d'énergie qui correspond à une orbitale autour du noyau atomique. Or, lorsque la densité de la matière augmente,( les liaisons chimiques précédentes n’étant plus envisageables), certaines orbitales finissent par se juxtaposer avec celles d'atomes voisins. La pression de dégénérescence s'exerce lorsque les orbites concernées sont déjà effectivement occupées : les atomes ne peuvent plus se rapprocher davantage sans violer le principe d'exclusion. Ainsi, lorsque la matière est dans un état dégénéré, la pression de dégénérescence empêche la matière de se contracter au-delà d'un seuil de densité. Les électrons opposent une résistance presque insurmontable à toute tentative de compression supplémentaire.
En conséquence le principe de PAULI oblige alors les particules à aller chercher ailleurs une place pour se logeretcompte tenu de la densité elles « s’empilent « jusqu’au niveau dit de l’énergie de FERMI donc sur des sitesd’énergiesupérieure en accumulant une valeur d’énergie totalegigantesque si elles sont en grand nombre voir photo )
….NOVAKcite pour des densités d’étoiles à neutrons (1,4 fois par exemple la masse solaire contenue dans une sphère de 20 km ) une valeur de 10 puissance 34 joules ce qui correspond à 100 milliards de degrésen cœur ….. Enréalité , il existe plusieurs ingrédientsc’est à dire des réactions nucléaires commandant la composition de l’œuvre finale : en régime de désintégration béta un neutron donne proton ,un électron et un antineutrinoetune sorte d’inverse la « neutrinisation » se produit aussi : les électrons s'unissent aux protons pour former des neutrons, avec émission de neutrinos. Et ainsi le mur de la dégénérescence électronique peut être surmonté. Lorsque cela arrive et donne l’étoile à neutrons ,ce sont eux, par la dégénérescence qui les affecte à leur tour, qui forment le nouveau mur opposé à la compression. La prochaine fois nous examinerons les détails et on parlera selonNOVAK de cuisine italienne !
A suivre