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Illustration d'un atome. Adison Pangchai / Shutterstock

Alice, 11 ans : « Si le mouvement perpétuel n’existe pas, comment les atomes peuvent-ils bouger en permanence ? »

Tout bouge tout le temps, et pourtant le mouvement perpétuel est interdit par les lois de la physique. Je vais présenter ici quelques idées simples, valables aussi bien pour le monde infiniment grand des planètes, que pour celui infiniment petit des atomes.

En montagne, dévaler une pente et remonter la suivante sans effort, c’est un jeu pour un skieur ou un cycliste. Mais le jeu se termine car des frottements (ceux de la neige ou de la route) freinent le déplacement.

Seul le monde astronomique paraît suivre un mouvement immuable, comme la Terre qui tourne autour du Soleil avec une régularité remarquable. Cette régularité est en fait légèrement altérée, notamment par le voisinage des autres planètes ou corps célestes.

L’idéal du mouvement perpétuel est plus terre-à-terre que la contemplation astronomique : avec du mouvement, on peut extraire du « travail ». Ainsi, le flux de la rivière actionne le moulin à eau, et la turbine produit l’électricité. Pour obtenir ce travail, il faut fournir de l’énergie. Ainsi, pour arriver en haut de la pente à vélo, il a fallu stocker de l’énergie. C’est cette énergie stockée, qui peut se convertir, de façon plus utile que les frottements, quand on prend de la vitesse, en gagnant de l’énergie cinétique au fur et à mesure de la descente.

L’élément essentiel, c’est qu’il y a eu conversion d’une forme d’énergie en une autre forme, mais il n’y a pas eu création de travail ou d’énergie sans contrepartie. Cette loi fondamentale de conservation de l’énergie ruine l’espoir de fabriquer une machine à mouvement perpétuel.

Cette loi de conservation est aussi appelée « premier principe de la thermodynamique », du nom de la science des machines à vapeur du XIXe siècle. La vapeur peut faire tourner une turbine électrique, et l’électricité peut chauffer un liquide qui devient vapeur, mais il n’y aura cependant jamais de gain net dans cette conversion d’énergie.

À l’échelle microscopique, on sait que le monde est constitué d’atomes, populairement décrits un peu facilement comme un modèle planétaire, avec un cortège d’électrons qui tournent autour d’un noyau. Cependant, électrons et noyau étant chargés, le mouvement classique de ces particules imposerait, une déperdition d’énergie par rayonnement (c’est un peu comme une antenne de radio ou de téléphonie, qui rayonne de l’énergie). Ceci a obligé à inventer la « mécanique quantique », où l’électron (ou les autres particules) n’est pas caractérisé par une localisation et une vitesse connue. En étant à la fois ici et ailleurs, la particule quantique bouge, sans que ceci ne soit vraiment un mouvement, qui coûte de l’énergie.

Ainsi, tout bouge à l’échelle microscopique, mais sans perte d’énergie. Même pour des objets moins petits, et même pour une pierre qui serait parfaitement isolée, il peut exister une fluctuation globale de position, outre la bougeotte interne des atomes individuels. C’est une fluctuation infime, mais dont les effets peuvent être détectables. Il s’agit d’abord de fluctuations thermiques parce que l’objet, même isolé, est encore à la température environnante. Si on abaisse la température jusqu’au zéro absolu (le gel complet de tout mouvement), il subsiste des fluctuations quantiques, que les chercheurs savent même détecter. On attribue une énergie à ces fluctuations du vide quantique (ce vide se révèle plein de fluctuations). Cependant, extraire ou utiliser cette énergie est probablement aussi impossible que le mouvement perpétuel.


Diane Rottner, CC BY-NC-ND

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Traduit par Benoît Tonson avec l’aide de DeepL.

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