mesure de température

Imaginez une corde de guitare tendue entre deux chevalets. Si vous la pincez, une onde stationnaire apparaît : certains points de la corde vibrent fortement, tandis que d'autres, les nœuds, restent presque immobiles.

On n'emmenait pas un canari dans la mine pour son chant. L'oiseau tombait de son perchoir avant que le mineur ne remarque le monoxyde de carbone. Dans un vide poussé, le rôle du canari est joué par un nuage de cent mille atomes de lithium ou de rubidium.

Une lampe ordinaire émet une lumière constante, tandis qu'un phare émet de brefs éclairs. Des scientifiques de Londres ont fait fonctionner un minuscule diamant comme un phare, mais non pas pour la lumière, mais pour les ondes radio. Pour cela, ils ont ajouté un peu d'azote au cristal, puis l'ont éclairé avec un laser vert.

Un faisceau laser frappe une fine cible cachée à l'intérieur de couches d'un autre matériau. En quelques milliardièmes de seconde, la matière est comprimée jusqu'à une densité de 25 grammes par centimètre cube — c'est comme si un morceau de plomb devenait plus de deux fois plus lourd tout en restant en place.

En cuisine, quand la poêle chauffe, la main sent la chaleur avant même de toucher. Le télescope solaire capte une chaleur invisible similaire, mais provenant de l'étoile, pas de la cuisinière. L'instrument nommé HATS détecte le rayonnement térahertz, qui était auparavant peu étudié en raison de difficultés techniques.

Un récepteur radio de la taille d'une paume peut mesurer la puissance d'un signal plus précisément que des bancs de laboratoire coûteux. À l'intérieur, pas de bobines ni d'antennes — seulement une tête en verre et un nuage d'atomes de rubidium refroidis à presque zéro absolu.

Les ondes radio basse fréquence (de 30 à 300 kilohertz) transportent l'information à travers l'eau et la terre. Mais les capter avec une antenne ordinaire est difficile : la longueur d'onde atteint plusieurs kilomètres, et un petit récepteur perçoit à peine un tel champ.

Dans une pièce, l'air touche la peau et nous en ressentons la température. Mais si le corps se mettait soudainement à accélérer de manière colossale, la chaleur surgirait même du vide absolu.

Le rayonnement fossile est la lueur résiduelle du Big Bang, que nous observons sur les ondes millimétriques. Mais il possède aussi une traîne de grandes longueurs d'onde qui s'étend dans le domaine radio.

La lumière peut être non seulement un faisceau, mais aussi une règle extrêmement précise. Si l'on prend des impulsions très courtes – plus courtes qu'un battement d'aile de mouche – et qu'on les émet à la suite, on obtient un peigne optique : un ensemble de couleurs espacées à intervalles strictement égaux, comme les dents d'un peigne.

Un piège à atomes ordinaire fonctionne comme un entonnoir : la lumière laser et le champ magnétique ralentissent les atomes et les rassemblent au centre. Mais l'entonnoir a une limite : il ne capture que les atomes ayant une certaine vitesse.

Une casserole en aluminium ordinaire sur une cuisinière n'émet pas de molécules que l'on pourrait piéger avec de la lumière.

Un gardien doit vérifier cinq pièces, mais il ne peut pas entrer. Il frappe à la porte et écoute : le silence signifie que quelqu'un est à l'intérieur, tandis que l'écho indique que la pièce est vide.

Un cuisinier le sait : que la pâte colle ou non à la poêle dépend de ce qui se passe à la frontière entre deux milieux. Pour les métaux en fusion, cette frontière est longtemps restée invisible — au-dessus de 200 °C, impossible de distinguer des atomes individuels.

Une antenne ordinaire capte les ondes radio, mais il existe des champs qu'elle perçoit à peine. Il s'agit des champs électriques lents, qui varient une fois par seconde ou moins. Pour eux, des physiciens ont construit un capteur à partir d'un faisceau d'atomes de rubidium.

Un gaz est presque invisible, mais il a une température, et on peut la lire dans la façon dont il « masque » le fond thermique. Dans l'expérience, une caméra observe un écran chaud à travers un jet de dioxyde de carbone. Si le gaz est plus froid que le fond, il apparaît comme une tache sombre ; s'il est plus chaud, comme une tache claire.

Un télémètre laser classique fonctionne comme un chronomètre sur un 100 mètres : il mesure le temps que met la lumière pour aller jusqu'à la cible et en revenir. Mais ce chronomètre a une limite : il tique par pas de quelques dizaines de picosecondes (millièmes de milliardième de seconde).

Deux faisceaux laser, comme deux crayons, tracent une échelle invisible sur le mur. L'une des pointes se déplace un peu plus vite que l'autre, et selon que leurs traits coïncident ou divergent, on peut calculer la distance au mur avec une précision de l'épaisseur d'une toile d'araignée.

La lumière blanche ordinaire est un mélange de toutes les couleurs à la fois, comme le bruit d'une foule où chacun parle à sa fréquence. Les scientifiques, eux, ont besoin d'une lumière où les fréquences sont alignées avec précision, comme les touches d'un piano où chaque note sonne séparément et exactement.

Le laser dont il est question n'est pas un mince faisceau, mais une véritable piste de course pour la lumière. Dans la fibre optique, deux impulsions ultracourtes se déplacent : l'une dans le sens horaire, l'autre dans le sens antihoraire. Chaque impulsion est un éclair unique d'une durée de quelques milliardièmes de seconde.

Un peigne ordinaire sépare les cheveux en mèches régulières. Un « peigne » laser fait de même avec la lumière : il n'émet pas une seule couleur, mais des milliers de couleurs, espacées par des pas de fréquence strictement identiques.

Un laser ordinaire émet une seule couleur, comme une note de piano. Mais pour détecter des molécules dans l'air, il faut un instrument qui balaie rapidement de nombreuses couleurs — tel un musicien jouant une gamme. Ce type de laser est dit accordable, et plus il change de couleur rapidement, plus vite on peut « renifler » l'air.

On peut peigner la lumière, comme on peigne des cheveux. Au lieu des cheveux, ce sont des fréquences ; au lieu du peigne, c'est un laser. On obtient un peigne composé de milliers de « dents » de fréquences régulières. Un tel peigne de lumière aide à étudier les molécules et à mesurer le temps avec une précision de l'ordre de la quadrillionième de seconde.

Les ondes dans les aimants ressemblent aux vibrations d'une corde : si l'on pince une corde, elle émet une note unique, mais sous une forte excitation apparaissent des harmoniques — des sons à des fréquences multiples.

La lumière dans un microscope n'arrive pas en flux régulier, mais comme une pluie de plomb : tantôt plus de photons, tantôt moins. Cette dispersion aléatoire, c'est le bruit de grenaille. Il impose une limite : les signaux faibles provenant d'objets minuscules se noient dans cette ondulation.

Un faisceau laser traverse une cuve en verre contenant de la vapeur de rubidium, et la façon dont les atomes absorbent la lumière révèle leur température. C'est comparable à la mesure de la vitesse des voitures par le flou d'une photo : plus les atomes se déplacent vite, plus la raie d'absorption s'élargit.