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Peut-on faire de la voile dans l'espace ?

Refroidir les atomes avec des lasers

La pression de radiation sert à propulser des voiles dans l'espace, mais elle sert aussi à refroidir des atomes à des températures jamais atteintes, et à mieux comprendre la mécanique quantique.

Température et vitesse, même combat !

Un gaz est constitué de molécules (ou parfois d'atomes isolés) qui se déplacent en permanence de façon erratique. C'est la vitesse de déplacement de ces molécules qui constitue la température du gaz : plus le gaz est chaud, plus les molécules se déplacent vite (et inversement). Pour le visualiser, vous pouvez utiliser la simulation ci-dessous, qui se lance dès que vous déplacez le curseur.

Du coup, il existe une température minimale, en dessous de laquelle on ne peut plus descendre: c'est quand les molécules sont arrêtées. Cette température, qu'on appelle le zéro absolu, est de -273,15°C. Et comme il existe une température zéro absolu, il est commode d'utiliser une autre échelle de température, décalée de 273,15 °C par rapport à l'échelle des degrés Celsius. L'unité est alors le Kelvin, noté K. Le zéro absolu correspond alors à 0 K, l'eau gèle à 273,15 K et bout à 373,15 K.

plus froid

plus chaud

Il fait froid dans la nébuleuse du Boomerang...

La température d'un gaz, ce n'est donc ni plus ni moins que la vitesse des atomes ou des molécules dont il est formé. Ainsi, dans l'air à température ambiante, les molécules d'azote ou d'oxygène se déplacent à environ 300 m/s, soit plus de 1000 km/h. Mais ces molécules se cognent entre elles sans arrêt, changeant de direction et de vitesse, si bien qu'en moyenne, une molécule fait du surplace ! Sauf s'il y a du vent, mais dans ce cas, cette composante de la vitesse moyenne n'intervient pas dans la température.

L'endroit le plus froid sur Terre se trouve dans l'Antarctique. On y a mesuré des températures de quasiment -100°C. À cette température, les molécules de l'air se déplacent encore à plus de 200 m/s, soit 720 km/h ! L'endroit le plus froid de l'univers qu'on connaisse est la nébuleuse du Boomerang, où il ne ferait que 1 K. À cette température là, les molécules de l'air ne se déplaceraient plus qu'à environ 15 m/s, ce qui fait quand même encore plus de 50 km/h !

...mais il fait plus froid à Lille !

Refroidir, c'est donc ralentir. On peut donc utiliser le même principe que les voiles solaires pour refroidir un gaz, en utilisant des lasersComment fonctionne le laser, mais il faut cette fois que la lumière aille en sens inverse de la direction des atomes, pour les ralentir et non les accélérer. Dans l'illustration ci-dessous, l'atome est représenté par la boule grise et les photons par les boules rouges. Évidemment, il s'agit d'une représentation symbolique, illustrant simplement le fait que les photons ralentissent l'atome en lui cédant leur quantité de mouvement.

Grâce à cette technique, on arrive à diminuer la vitesse des atomes jusqu'à quelques cm/s, ce qui représente des températures vraiment très proches du zéro absolu. La température record est inférieure à un millionième de Kelvin.

L'intérêt de ces atomes pratiquement à l'arrêt est qu'ils permettent de faire des expériences de physique quantique qu'on ne pouvait pas faire avant. Cette technique de refroidissement des atomes par laser a ouvert la porte à une bien meilleure compréhension du monde quantique. De nombreuses équipes utilisent le refroidissement laser pour mener leurs recherches. et c'est en particulier le cas de l'équipe Atomes froids du laboratoire PhLAM (université de Lille et CNRS), co-producteur de ce mini-mooc.