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Qu’est-ce qui est le plus lent sur Terre ? – Jiwon, Brookline, Massachusetts
Dans les mots de l’infâme méchant, Dr. Evil : « Lasers. »
Les lasers concentrent un faisceau étroit et dirigé de lumière sur un point spécifique, ce qui en fait un outil formidable pour couper, brûler, souder – ou dans le cas du Dr. Evil, tirer sur les ennemis du haut d’un requin. Toutes ces activités produisent ou nécessitent de la chaleur. Les faisceaux laser se déplacent à la vitesse de la lumière, à plus de 670 millions de miles par heure, ce qui en fait la chose la plus rapide de l’univers.
Alors comment un laser produit-il la chose la plus lente sur Terre ?
Pour commencer, il est important de comprendre la relation entre la température d’un objet et sa vitesse. Plus quelque chose est chaud, plus il a d’énergie et plus il se déplace rapidement. Même les objets qui semblent parfaitement immobiles – par exemple, un stylo ou votre carnet – ne le sont pas. À un niveau microscopique, les particules dont ils sont constitués se déplacent rapidement. C’est même vrai pour les êtres vivants.
Partons de l’exemple du paresseux. Si vous faites un zoom sur les molécules qui composent le corps de cet animal célèbre pour sa lenteur, vous verrez qu’elles se comportent comme des enfants qui sautent à l’intérieur d’une maison gonflable. Pourquoi ? Environ 70% du corps de cette créature est composé d’eau et ces molécules d’eau rebondissent à des centaines de kilomètres par heure.
Refroidissement par laser
Il peut donc sembler surprenant que j’utilise des lasers brillants et intenses pour refroidir les choses dans mes expériences de laboratoire. Je suis un physicien qui s’intéresse à la façon dont les atomes et les molécules se comportent aux températures les plus froides. C’est un monde étrange où règne la mécanique quantique. Dans ce royaume, les particules se comportent parfois comme des vagues dans l’océan, et croyez-le ou non, peuvent parfois se trouver à deux endroits différents en même temps.
Pour étudier ce comportement extraordinaire, j’utilise des lasers pour produire des nuages d’atomes frigides qui sont les choses les plus froides sur Terre – que nous appelons des condensats de Bose-Einstein. Lorsque vous refroidissez un groupe d’atomes jusqu’à presque le zéro absolu, la température la plus froide possible, les atomes commencent à obéir à la mécanique quantique et à se comporter de manière surprenante.
L’étude des nuages d’atomes ultra-froids pourrait fournir des indices sur le fonctionnement d’autres matériaux étranges, comme les supraconducteurs. Les supraconducteurs transportent l’électricité bien mieux que les matériaux existants, si bien qu’ils pourraient un jour être utilisés pour construire des trains à très grande vitesse.
Créer la chose la plus lente sur Terre
Alors, comment exactement les lasers refroidissent-ils un nuage d’atomes ? En laboratoire, nous commençons par faire briller des lasers sur des atomes d’un métal blanc argenté appelé ytterbium. Ces atomes, qui sont très chauds, sont maintenus dans une chambre d’un mètre de large. Mais après quelques secondes sous le faisceau laser, ils se refroidissent, ralentissent et se retrouvent piégés ensemble au centre de la chambre.
Comment cela se produit-il ? Toute lumière, y compris celle d’un laser, est composée de photons, qui sont des paquets d’énergie en mouvement constant. Lorsque nous projetons un laser dans notre chambre, les atomes entrent en collision avec les flux de photons du faisceau et ralentissent et se refroidissent – comme ce qui se passerait si vous essayiez de courir très vite contre un vent fort.
Ces petites collisions font baisser la température du nuage d’atomes à seulement quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu. C’est 459 degrés sous 0 degré Fahrenheit.
Mais ce n’est toujours pas suffisant pour donner à ce nuage le prix de la chose la plus lente sur Terre. Il faut une dernière étape pour le rendre juste un peu plus froid, une technique que nous, physiciens, appelons « refroidissement par évaporation ».
D’abord, on capture tous les atomes, parfois en utilisant un champ magnétique réalisé en faisant passer de l’électricité dans un fil enroulé. Cela crée un puits invisible qui retient les atomes : Imaginez des billes posées au fond d’un bol. Ensuite, nous abaissons les côtés de ce champ de force en forme de bol en diminuant le courant électrique qui passe dans le fil. Cela permet aux atomes plus rapides et plus chauds de sortir du « bol » et de s’échapper du piège.
Seuls les atomes plus lents restent derrière – et ils sont vraiment hors gel : un dixième de millionième de degré au-dessus du zéro absolu. Les atomes de ce nuage se déplacent au ralenti : S’ils se déplaçaient en ligne droite au lieu de rebondir, il leur faudrait une heure entière pour traverser une pièce. À titre de comparaison, les molécules de votre corps pourraient s’élancer à travers cette pièce en une fraction de seconde seulement.
Les atomes de notre nuage d’atomes glacials se déplacent littéralement à moins d’un pas d’escargot – et ce nuage est la chose la plus lente sur Terre.
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