Où est l'endroit le plus froid de l'univers? Pas sur la lune, où la température tombe à moins 378 degrés Fahrenheit. Pas même dans l'espace extérieur le plus profond, dont la température de fond estimée est d'environ moins 45 ° C. Pour autant que les scientifiques puissent en juger, les plus basses températures jamais atteintes ont été récemment observées ici même sur Terre.
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Les plus bas records ont été parmi les dernières prouesses de la physique ultra-froide, l’étude en laboratoire de la matière à des températures tellement glaciales que les atomes et même la lumière se comportent de manière très inhabituelle. La résistance électrique de certains éléments disparaît au-dessous d’environ moins 440 ° F, un phénomène appelé supraconductivité. À des températures encore plus basses, certains gaz liquéfiés deviennent des "superfluides" capables de suinter à travers des parois suffisamment solides pour contenir tout autre type de liquide; ils semblent même défier la gravité lorsqu'ils remontent et sortent de leurs récipients.
Les physiciens reconnaissent qu’ils ne peuvent jamais atteindre la température la plus froide imaginable, connue sous le nom de zéro absolu et calculée il y a bien longtemps comme étant négative de 459, 6 ° C. Pour les physiciens, la température est une mesure de la vitesse à laquelle les atomes se déplacent, un reflet de leur énergie - et le zéro absolu est le point où il ne reste absolument aucune énergie calorifique à extraire d'une substance.
Mais quelques physiciens ont l’intention de se rapprocher le plus possible de cette limite théorique, et c’est pour avoir une meilleure vue de la compétition la plus raréfiée que j’ai visitée au laboratoire de Wolfgang Ketterle au Massachusetts Institute of Technology à Cambridge. Il détient actuellement le record - du moins selon Guinness World Records 2008 - pour la température la plus basse: 810 trillions de degrés F au dessus du zéro absolu. Ketterle et ses collègues ont accompli cet exploit en 2003 en travaillant avec un nuage - d'environ un pouce de pouce - de molécules de sodium emprisonnées par des aimants.
Je demande à Ketterle de me montrer l'endroit où ils auraient établi le record. Nous avons mis des lunettes de protection pour nous protéger des rayons infrarouges du faisceau laser, qui sont utilisés pour ralentir et ainsi refroidir les particules atomiques se déplaçant rapidement. Nous traversons la salle de son bureau ensoleillé dans une pièce sombre avec un fouillis de fils interconnectés, de petits miroirs, des tubes à vide, des sources laser et du matériel informatique de grande puissance. "Juste ici", dit-il, sa voix s'élevant avec enthousiasme alors qu'il désignait une boîte noire dans laquelle se trouvait un tube enveloppé d'une feuille d'aluminium. "C'est là que nous avons fait la température la plus froide."
La réussite de Ketterle découle de sa recherche d'une matière entièrement nouvelle appelée condensat de Bose-Einstein (BEC). Les condensats ne sont ni des gaz standard, ni des liquides, ni même des solides. Ils se forment lorsqu'un nuage d'atomes, parfois des millions ou plus, entre tous dans le même état quantique et se comporte comme tel. Albert Einstein et le physicien indien Satyendra Bose ont prédit en 1925 que les scientifiques pourraient générer de telles matières en soumettant les atomes à des températures approchant le zéro absolu. Soixante-dix ans plus tard, Ketterle, travaillant au MIT, et presque simultanément, Carl Wieman, travaillant à l'Université du Colorado à Boulder, et Eric Cornell de l'Institut national des normes et de la technologie à Boulder ont créé les premiers condensats de Bose-Einstein. Les trois ont rapidement remporté un prix Nobel. L'équipe de Ketterle utilise les BEC pour étudier les propriétés fondamentales de la matière, telles que la compressibilité, et pour mieux comprendre des phénomènes étranges à basse température, tels que la superfluidité. En fin de compte, Ketterle, comme de nombreux physiciens, espère découvrir de nouvelles formes de matière pouvant jouer le rôle de supraconducteurs à la température ambiante, ce qui révolutionnerait la manière dont les hommes utilisent l'énergie. Pour la plupart des lauréats du prix Nobel, cet honneur couronne une longue carrière. Mais pour Ketterle, qui avait 44 ans quand on lui a décerné le sien, la création de BEC a ouvert un nouveau domaine que lui et ses collègues vont explorer pendant des décennies.
Dans le laboratoire de Lene Vestergaard Hau à Harvard, vous trouverez un autre candidat au poste de froid. Son record personnel est de quelques millions de degrés F au-dessus du zéro absolu, proche de celui de Ketterle, qu'elle a également atteint lors de la création des BEC. "Nous fabriquons des BEC tous les jours maintenant, " dit-elle alors que nous descendons une cage d'escalier vers un laboratoire rempli d'équipement. Au milieu de la pièce, une plateforme de la taille d’un billard ressemble à un labyrinthe constitué de minuscules miroirs ovales et de faisceaux laser minces comme un crayon. En exploitant les BEC, Hau et ses collègues ont fait quelque chose qui pourrait sembler impossible: ils ont ralenti la lumière à un point mort.
Comme nous l'avons tous entendu dire, la vitesse de la lumière est constante: 186 171 milles à la seconde dans le vide. Mais il en va différemment dans le monde réel, en dehors du vide; par exemple, la lumière ne se plie pas seulement mais ralentit aussi très légèrement lorsqu'elle passe à travers du verre ou de l'eau. Pourtant, ce n’est rien comparé à ce qui se passe lorsque Hau projette un faisceau de lumière laser sur un faisceau laser: c’est comme jeter une balle de baseball dans un oreiller. "Premièrement, nous avons réduit la vitesse à celle d'une bicyclette", a déclaré Hau. "Maintenant, il est en train de ramper, et nous pouvons réellement l'arrêter. Gardez la lumière entièrement dans le BEC, regardez-le, jouez avec, puis relâchez-le quand nous sommes prêts."
Elle est capable de manipuler la lumière de cette manière car la densité et la température du BEC ralentissent les impulsions lumineuses. (Elle a récemment poussé les expériences un peu plus loin, en arrêtant une impulsion dans un BEC, en la convertissant en énergie électrique, en la transférant dans un autre, puis en la relâchant et en la renvoyant à nouveau.) Hau utilise les BEC pour en savoir plus sur la nature de la lumière et comment utiliser la "lumière lente" - c’est-à-dire la lumière emprisonnée dans les BEC - pour améliorer la vitesse de traitement des ordinateurs et offrir de nouvelles méthodes de stockage des informations.
Toutes les recherches sur l'ultracold sont effectuées à l'aide de BEC. En Finlande, par exemple, le physicien Juha Tuoriniemi manipule magnétiquement les noyaux des atomes de rhodium pour atteindre des températures de 180 trillions de degré F au dessus du zéro absolu. (Malgré le record Guinness, de nombreux experts attribuent à Tuoriniemi des températures encore plus basses que celles de Ketterle, mais cela dépend si vous mesurez un groupe d'atomes, tel qu'un BEC, ou seulement des parties d'atomes, telles que les noyaux.)
Il peut sembler que le zéro absolu vaut la peine d’être atteint, mais Ketterle dit qu’il en sait plus. "Nous n'essayons pas", dit-il. "Où nous sommes est assez froid pour nos expériences." Cela ne vaut tout simplement pas la peine - sans parler de l'impossibilité, selon la compréhension de la chaleur et des lois de la thermodynamique par les physiciens. "Aspirer toute l'énergie, jusqu'au dernier point, et atteindre l'énergie zéro et le zéro absolu, cela prendrait l'âge de l'univers."
Tom Shachtman est l'auteur de Absolute Zero et de Conquest of Cold, bases d'un futur documentaire sur PBS "Nova".
