axe de rotation

L'orchestre joue, même si personne ne voit le chef. Les musiciens sont les particules chargées dans la magnétosphère du pulsar, et la partition est constituée des champs électriques et magnétiques engendrés par la rotation de l'étoile hyperdense.

Une foule à l'entrée d'un couloir étroit ne se comporte pas comme dans une salle spacieuse : certains sont plaqués contre les murs, d'autres sont poussés vers l'avant. C'est à peu près ce qui se produit lorsqu'une particule allongée se retrouve dans un liquide grouillant d'haltères auto-propulsés.

Une impulsion laser frappe un nuage de gaz et en arrache les électrons, laissant derrière elle une bulle, une cavité où il n'y a presque plus de particules. Cette bulle traverse le plasma à une vitesse proche de celle de la lumière, et ses parois entraînent les électrons qui s'y trouvent, comme un hors-bord tire un skieur nautique.

Dans un accélérateur circulaire, un faisceau d'électrons file en rond des millions de fois. Si les électrons sont tordus comme un fil dans une corde, leur mouvement vortex devrait se conserver. Mais sur le chemin, ils subissent des chocs aléatoires dus à des aimants imparfaits.

Deux étoiles tournent l'une autour de l'autre, se rapprochant progressivement. Leur danse perd de l'énergie, et cette énergie s'échappe dans l'espace sous forme d'ondes gravitationnelles, et parfois d'autres champs.

L'électron n'est pas un simple point. C'est un nuage de probabilité, étalé dans l'espace. Lorsque ce nuage entre en collision avec une impulsion laser puissante, il peut émettre un photon de haute énergie — un quantum gamma.

Un escalier en colimaçon sur lequel roulent des billes. Les unes tournent à droite, les autres à gauche. Les marches sont disposées de telle sorte que les billes qui tournent à droite passent plus vite, tandis que celles qui tournent à gauche restent coincées. C'est à peu près ce qui se passe à l'intérieur des molécules hélicoïdales — par exemple, dans la double hélice de l'ADN.

Le dichroïsme circulaire magnétique des rayons X est un outil précis qui permet depuis longtemps de séparer les moments magnétiques de spin et orbitaux. Cependant, l'approche classique revient à évaluer un orchestre par son volume sonore : elle s'appuie sur des règles de somme qui réduisent toute la structure fine du spectre à une paire d'intégrales.

Un fluide superfluide s'écoule sans frottement, comme une eau qui ne s'arrête jamais. Mais si on le fait tourner, il ne se contente pas de tourner : chaque minuscule vortex se souvient de la manière exacte dont il a été mis en rotation.

Dans des accélérateurs comme le Grand collisionneur de hadrons, on fait entrer en collision des noyaux lourds à une vitesse prodigieuse.

Un escalier en colimaçon impose son rythme aux pas : si une foule le dévale, son mouvement s'enroule inévitablement. Quelque chose de similaire se produit dans les molécules hélicoïdales — par exemple, l'ADN ou certaines protéines. Lorsqu'on fait passer un courant électrique à travers une telle molécule, les électrons ne se contentent pas de filer tout droit.

On peut imaginer l'espace-temps comme une toile tendue. Un corps massif la déforme, guidant la lumière. La rotation, elle, tord la toile en spirale. Cet entonnoir gravitationnel est capable d'intriquer un photon qui passe avec la source même de la rotation — par exemple, un minuscule miroir.

Deux cailloux tombent dans l'eau, et les rides à la surface se croisent, mêlant leurs motifs. C'est à peu près ce que font les neutrinos : des particules légères qui nous traversent par milliards chaque seconde. Elles savent se transformer d'un type à un autre, comme un acteur qui change de masque. Cette danse, les physiciens l'appellent oscillation.

Les ondes gravitationnelles ne sont pas des oscillations de la matière, mais un frémissement de la courbure de l'espace-temps lui-même, prédit par Albert Einstein. Elles se propagent à la vitesse de la lumière et traversent les corps, les étirant et les comprimant.

Le noyau atomique lourd du californium-252 peut se briser spontanément en deux gros fragments — cela ressemble à une goutte d'eau qui éclate. Mais à l'intérieur d'une telle goutte, les lois quantiques agissent, et chaque fragment reçoit sa propre rotation — le spin.

Un minuscule aimant flotte dans un piège magnétique, telle une aiguille en apesanteur. Son axe magnétisé est comme l'aiguille obstinée d'une boussole à qui l'on interdit de tourner. Devant elle se dresse un mur invisible.

Un vol d'oiseaux ou un banc de poissons peut parfois se mettre à tourner en entonnoir, sans qu'aucun individu ne donne l'ordre de « tourner ». Cette rotation collective aide le groupe à rester soudé et à mieux se mélanger.

La lumière pousse généralement un atome tout droit, comme le vent pousse une voile. Mais si l'on tord le faisceau en tire-bouchon, le tableau change : l'atome peut s'envoler de côté, comme s'il avait été accroché par une roue en rotation.

Un cœur en plastique repose sur l'eau et ne se retourne pas, quelle que soit la façon dont on le tourne. Il se fige dans n'importe quelle position, comme si l'eau le tenait par des fils invisibles. Ce tour de force est rendu possible grâce à la courbe de Zindler — une figure dont toutes les lignes qui divisent l'aire en deux parties égales ont la même longueur.

Une goutte d'encre tombe dans un verre d'eau et des cercles se propagent. L'eau semble simple, mais si on regarde à l'intérieur, chaque molécule ne se contente pas d'avancer : elle tourne aussi sur elle-même, comme une toupie minuscule. Cette rotation propre des particules, les physiciens l'appellent le spin.

Une pièce qui tourne sur une table est un spectacle familier. D'abord, elle tourne rapidement, puis elle penche, et son cliquetis devient de plus en plus rapide. Dans les dernières secondes, elle semble suspendue : la rotation ralentit, mais la pièce ne veut pas se coucher complètement. Ce moment final est une véritable énigme pour les physiciens.

Dans un morceau d'oxyde de manganèse épais de quelques couches atomiques, les électrons se comportent comme une foule dans un escalator : chacun suit ses propres règles, mais ensemble ils créent un flux commun. Les physiciens ont dirigé un rayonnement X mou sur ce film et en ont arraché des électrons.

L'hélium liquide, à des températures extrêmement basses, s'écoule sans frottement, telle une lubrification parfaite. Des tourbillons y naissent, semblables à ceux de l'eau ordinaire, mais leur vitesse de rotation ne change que par paliers stricts, comme sur un tourne-disque : seulement 33, 45 ou 78 tours.

L'électron n'est pas qu'une simple bille : il tourne aussi sur lui-même, comme une toupie. En temps normal, ces toupies pointent dans des directions aléatoires et se désordonnent rapidement.

Deux plaques métalliques dans un vide total s'attirent. Richard Feynman comparait déjà le vide à une écume bouillonnante : des paires de particules naissent et disparaissent aussitôt, créant l'effet Casimir. Si les plaques sont asymétriques, elles se mettent aussi à tourner — c'est le moteur à vide. Mais pour tourner, pas besoin de pièces courbes.

Un électron dans une molécule, c'est comme une toupie lancée dans le bon sens. Les molécules chirales, tordues d'un seul côté comme un escalier en colimaçon, ne laissent passer que les électrons ayant une direction de rotation donnée. Cette propriété s'appelle la sélectivité de spin induite par chiralité, et elle permet de contrôler le spin sans aimants.

À l'intérieur d'une cellule vivante, une minuscule toupie de carbone tourne — une molécule de la taille d'un milliardième de mètre. Une toupie ordinaire tombe vite, mais celle-ci se comporte autrement : elle peut tourner dans les deux sens à la fois, comme une pièce quantique qui resterait éternellement suspendue dans sa chute.

Il y a cent ans, la mécanique quantique offrait au monde une image cohérente : la rotation d'une particule autour d'un point ne peut se faire qu'avec des quantités bien précises de moment cinétique, des nombres entiers multipliés par la constante de Planck.

En 1946, Felix Bloch a prédit que, même en l'absence de champ magnétique externe, un moment magnétique fluctuant existe dans un ensemble de spins. Il croît comme la racine carrée du nombre de particules, et dans les petits échantillons, ce bruit peut dépasser la polarisation thermique.