Où est l’endroit le plus froid de l’univers ? Pas sur la lune, où la température plonge à un simple moins 378 Fahrenheit. Pas même dans l’espace extra-atmosphérique le plus profond, qui a une température de fond estimée à environ moins 455 ° F. Pour autant que les scientifiques puissent le dire, les températures les plus basses jamais atteintes ont récemment été observées ici même sur terre.
Les plus bas records ont été parmi les derniers exploits de la physique ultracold, l’étude en laboratoire de la matière à des températures si effrayantes que les atomes et même la lumière se comportent de manière très inhabituelle. La résistance électrique de certains éléments disparaît en 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 se glissent vers le haut, au-dessus et hors de leurs conteneurs.
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 longtemps pour être de moins 459,67 ° F. 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 auquel il ne reste absolument aucune énergie thermique à extraire d’une substance.
Mais quelques physiciens ont l’intention de s’approcher le plus possible de cette limite théorique, et c’est pour avoir une meilleure vue de cette compétition la plus rare que j’ai visité le laboratoire de Wolfgang Ketterle au Massachusetts Institute of Technology à Cambridge. Il détient actuellement le record — du moins selon le Guinness World Records 2008 — de la température la plus basse: 810 trillionièmes de degré F au-dessus du zéro absolu. Ketterle et ses collègues ont accompli cet exploit en 2003 en travaillant avec un nuage — environ un millième de pouce de diamètre – de molécules de sodium piégées en place par des aimants.
Je demande à Ketterle de me montrer l’endroit où ils avaient établi le record. Nous mettons des lunettes pour nous protéger d’être aveuglés par la lumière infrarouge des faisceaux laser qui sont utilisés pour ralentir et refroidir ainsi les particules atomiques en mouvement rapide. Nous traversons le hall de son bureau ensoleillé dans une pièce sombre avec un fouillis interconnecté de fils, de petits miroirs, de tubes à vide, de sources laser et d’équipements informatiques de haute puissance. « Juste ici », dit-il, la voix s’élevant d’excitation en montrant une boîte noire qui comporte un tube enveloppé de papier d’aluminium. « C’est là que nous avons fait la température la plus froide. »
L’exploit de Ketterle est né de sa recherche d’une toute nouvelle forme de matière appelée condensat de Bose-Einstein (BEC). Les condensats ne sont pas des gaz, des liquides ou même des solides standard. Ils se forment lorsqu’un nuage d’atomes — parfois des millions ou plus — entrent tous dans le même état quantique et se comportent comme un seul. Albert Einstein et le physicien indien Satyendra Bose ont prédit en 1925 que les scientifiques pourraient générer une telle matière en soumettant les atomes à des températures approchant le zéro absolu. Soixante-dix ans plus tard, Ketterle, travaillant au M.I.T., et presque simultanément, Carl Wieman, travaillant à l’Université du Colorado à Boulder, et Eric Cornell du National Institute of Standards and Technology à Boulder ont créé les premiers condensats de Bose-Einstein. Les trois ont rapidement remporté un prix Nobel. L’équipe de Ketterle utilise BECs pour étudier les propriétés de base de la matière, telles que la compressibilité, et mieux comprendre les phénomènes étranges à basse température tels que la superfluidité. À terme, Ketterle, comme de nombreux physiciens, espère découvrir de nouvelles formes de matière qui pourraient agir comme des supraconducteurs à température ambiante, ce qui révolutionnerait la façon dont les humains utilisent l’énergie. Pour la plupart des lauréats du prix Nobel, cet honneur vient couronner une longue carrière. Mais pour Ketterle, qui avait 44 ans lorsqu’il a reçu le sien, la création de BECs a ouvert un nouveau champ que lui et ses collègues exploreront pendant des décennies.
Un autre candidat à l’endroit le plus froid se trouve de l’autre côté de Cambridge, dans le laboratoire de Lene Vestergaard Hau à Harvard. Son record personnel est de quelques millionièmes de degré F au-dessus du zéro absolu, proche de celui de Ketterle, qu’elle a également atteint en créant des BECs. « Nous fabriquons des BECs tous les jours maintenant », dit-elle en descendant une cage d’escalier vers un laboratoire rempli d’équipements. Une plate-forme de la taille d’une table de billard au centre de la pièce ressemble à un labyrinthe construit de minuscules miroirs ovales et de faisceaux laser minces au crayon et au plomb. Harnachant BECs, Hau et ses collègues ont fait quelque chose qui pourrait sembler impossible: ils ont ralenti la lumière à un arrêt virtuel.
La vitesse de la lumière, comme nous l’avons tous entendu, est une constante : 186 171 milles par seconde dans le vide. Mais c’est différent dans le monde réel, en dehors du vide; par exemple, la lumière non seulement se plie, mais ralentit aussi très légèrement lorsqu’elle passe à travers le verre ou l’eau. Pourtant, ce n’est rien comparé à ce qui se passe lorsque Hau envoie un faisceau de lumière laser dans un BEC: c’est comme lancer une balle de baseball dans un oreiller. « D’abord, nous avons réduit la vitesse à celle d’un vélo », explique Hau. « Maintenant, il est en pleine exploration, et nous pouvons réellement l’arrêter — garder la lumière entièrement embouteillée à l’intérieur du BEC, la regarder, jouer avec, puis la relâcher lorsque nous sommes prêts. »
Elle est capable de manipuler la lumière de cette façon car la densité et la température du BEC ralentissent les impulsions de lumière. (Elle a récemment poussé les expériences un peu plus loin, arrêtant une impulsion dans un BEC, la convertissant en énergie électrique, la transférant à un autre BEC, puis la relâchant et la renvoyant sur son chemin.) Hau utilise BECs pour en savoir plus sur la nature de la lumière et comment utiliser la « lumière lente » — c’est—à-dire la lumière piégée dans BECs – pour améliorer la vitesse de traitement des ordinateurs et fournir de nouvelles façons de stocker des informations.
Toutes les recherches ultra-froides ne sont pas effectuées à l’aide de BECs. En Finlande, par exemple, le physicien Juha Tuoriniemi manipule magnétiquement les noyaux d’atomes de rhodium pour atteindre des températures de 180 billions de degrés F au-dessus du zéro absolu. (Malgré le record Guinness, de nombreux experts attribuent à Tuoriniemi des températures encore plus basses que Ketterle, mais cela dépend de la mesure d’un groupe d’atomes, tel qu’un BEC, ou seulement de parties d’atomes, telles que les noyaux.)
Il peut sembler que le zéro absolu vaut la peine d’essayer d’atteindre, mais Ketterle dit qu’il sait mieux. « Nous n’essayons pas », dit-il. « Là où nous sommes, il fait assez froid pour nos expériences. »Cela n’en vaut tout simplement pas la peine — sans parler, selon la compréhension des physiciens de la chaleur et des lois de la thermodynamique, impossible. « Aspirer toute l’énergie, chaque dernière partie de celle—ci, et atteindre l’énergie zéro et le zéro absolu – cela prendrait l’âge de l’univers pour accomplir. »
Tom Shachtman est l’auteur d’Absolute Zero et de la Conquête du froid, la base d’un futur documentaire « Nova » de PBS.