Malgré leur apparente diversité, tous les éléments de la nature

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Malgré leur apparente diversité, tous les éléments de la nature

– eau, roches, gaz, planètes,

végétaux, animaux… – possèdent un point commun : ils sont constitués de « grains » appelés atomes.

Un atome, c’est tout petit, petit ! Un atome est aussi petit par

rapport à une balle de tennis

qu’une balle de tennis par rapport à la Terre.

Il faudrait en aligner 100 millions pour atteindre 1 centimètre !

Aujourd’hui, grâce à de puissants microscopes, on peut « voir » les atomes et même les déplacer un à un.

A ^tome Qu’y a-t-il de commun entre un éléphant et une rose, les diamants de la Couronne et les galets de la plage, un cactus et une mouche ?

Et vous-même, qu’avez-vous en commun avec eux ?

Centre de Vulgarisation de la Connaissance

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Le fameux nord magnétique.

Pourquoi ? Car au centre

de la Terre, à quelques milliers de kilomètres de profondeur, se trouve un… noyau de fer

liquide, gros comme six Lunes, et renfermant une « graine »

de fer solide.

La Terre a beau tourner jour et nuit, son énorme noyau suit

sa propre valse. Secret du métal en mouvement, c’est ce cœur de fer

qui magnétise la planète. Faiblement certes, mais bien assez pour imposer aux matériaux sensibles, comme

l’aiguille de la boussole, un seul

et même nord : le pétale du haut sur la rose des vents.

Le nord magnétique n’a pas toujours été au… nord :

le champ magnétique terrestre s’est inversé plusieurs fois au cours de l’histoire de la Terre.

B ^oussole D’Oslo à Pretoria, d’Irkoutsk à Valparaiso, l’aiguille aimantée de la boussole s’orientera toujours vers le même point.

CIER

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C ^ouleur « La Terre est bleue comme une orange... » Paul Eluard

Observez un arc-en-ciel

de l’intérieur vers l’extérieur : violet, indigo, bleu, vert, jaune, orange, rouge. Il révèle toutes les couleurs contenues dans la lumière du soleil.

Regardez maintenant un objet :

verte pomme, jaune citron, rouge cerise.

Éclairé par cette lumière solaire multicolore, il absorbe certaines couleurs et renvoie les autres…

que notre œil perçoit.

Ainsi les feuilles des arbres

de nos forêts absorbent la lumière bleue, la jaune, la rouge

et ne nous laissent des couleurs du soleil… que du vert !

Il a fallu attendre le début du XX^e siècle et la révolution

de la physique quantique pour comprendre pourquoi un objet absorbe telle ou telle couleur.

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Le battement d’ailes de ce papillon insouciant allait-il

provoquer une tempête à l’autre bout de la planète ?

Les tourbillons des vents, l’anarchie apparente de

la météo, le désordre en général, étaient-ils prévisibles ?

Le chaos pouvait-il être dompté ?

Réponse… Non, certains

désordres n’ont rien de prévisible.

Oui, d’autres peuvent obéir au cadre rigide d’équations mathématiques.

Mais dans ce cas, changez

d’un iota le moindre paramètre, et la situation chaotique qui

s’ensuit s’en trouve tourneboulée : c’est le fameux… effet papillon !

Le chaos ne touche pas seulement la météo. Prenez plusieurs planètes : à partir de trois, impossible de prévoir avec certitude leur trajectoire. Oui, le système solaire est aussi un système chaotique !

D ^ésordre Longtemps, l’ordre a régné sur les lois de la physique. Un papillon arriva, virevoltant…

CIER

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Parce qu’elle n’a pas les « pieds » sur terre !

Imaginez un lac de montagne : tout est calme, l’eau dort tant

qu’elle ne trouve pas de chemin pour descendre vers la vallée.

Pour l’hirondelle sur son fil,

la tension électrique peut être

très élevée… Tant qu’il n’existe pas de chemin vers une tension plus basse (celle de la terre

par exemple), aucun courant ne traverse l’oiseau.

Pour le lac, il s’agit d’un courant d’eau ; pour le fil électrique,

c’est un courant d’infimes

particules appelées électrons.

Ce sont les mêmes électrons qui se trouvent dans les atomes.

Ils se déplacent plus ou moins facilement selon le matériau : dans les isolants, ils sont ancrés aux noyaux ; dans les métaux, ils sont presque libres.

E ^lectricité Pourquoi une hirondelle sur un fil à haute tension ne s’électrocute-t-elle pas ?

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Si nous restons au sol, si la Lune tourne autour de la Terre, c’est grâce à la force de gravitation, une force attractive qui s’exerce entre tous les objets.

Deux aimants qui s’attirent ou se repoussent, un courant électrique qui circule, la lumière,

les ondes radio qui se propagent :

c’est la force électromagnétique qui se cache derrière ces phénomènes.

Au cœur de la matière, la force

nucléaire forte stabilise les noyaux des atomes.

La force nucléaire faible, quant à elle, est impliquée dans une

des formes de radioactivité.

Le grand projet des physiciens est de décrire tous

les phénomènes de l’Univers par le moins de forces possible : ce qu’on appelle l’« unification des forces ».

Les forces électromagnétique et nucléaire faible sont unifiées, la force nucléaire forte bientôt…

Reste la gravitation, qui résiste encore !

F ^orce Attractions, répulsions, il y en a de toutes sortes.

Et pourtant, dans l’Univers, seulement quatre forces sont fondamentales.

CIER

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Petit glaçon ou énorme iceberg, la glace flotte car elle est moins dense que l’eau. Bien connu…

mais exceptionnel : presque

tous les liquides deviennent plus denses en gelant.

Pour l’eau, c’est le contraire,

car ses molécules occupent plus de place dans la glace que

dans le liquide.

Allez, encore un glaçon…

et un autre mystère : pourquoi l’eau n’est-elle pas sous forme de vapeur – un gaz –

à température ordinaire ?

Parce que ses molécules s’attirent suffisamment pour qu’elle reste

liquide.

Quelle chance ! Imaginez la Terre sans pluie ni océans...

Formées d’atomes d’oxygène et d’hydrogène, les molécules d’eau s’attirent grâce aux forces qui lient l’atome d’oxygène de l’une aux atomes d’hydrogène de ses voisines.

G ^lace De l’eau à l’état solide… rien d’étonnant.

Et pourtant, l’eau est une énigme sur la Terre !

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H ^orloge Le temps n’est plus ce qu’il était !

Mesurer le temps ne date pas d’hier.

Le cadran solaire, la clepsydre

et le sablier ont précédé l’horloge.

Mais la course à la précision s’est accélérée.

Fin du XIX

^e

siècle : la limite

des horloges mécaniques était un millième de seconde.

1960 : les horloges et montres

à quartz atteignaient le millionième de seconde.

Plus précis ?

Oui, et même un milliard de fois

plus aujourd’hui, avec les horloges atomiques, qui doivent beaucoup à Einstein et aux progrès

de la physique.

Elles mesurent le millionième de milliardième de seconde.

Vraiment inutile pour arriver

à l’heure, mais indispensable pour la bonne marche du GPS !

Le GPS (Global Positioning System) nous permet de connaître, à quelques mètres près, notre position sur la Terre. C’est

possible grâce à la mesure très précise du temps que mettent

les signaux émis par des satellites pour nous rejoindre. Centre de Vulgarisation de la Connaissance

CIER

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Un métal chauffé à blanc émet, en refroidissant, une lumière

jaune, puis orange, puis rouge sombre…

La couleur de ce rayonnement dépend de la température

de l’objet.

Nous aussi, nous émettons de la lumière !

Et un chat, une tortue, un raton laveur… également.

Comme nous sommes – beaucoup – plus froids que le métal

incandescent, cette lumière est infrarouge (en deçà du rouge), donc invisible à nos yeux.

Mais pas pour les caméras à infrarouge qui repèrent

la chaleur des corps dans la nuit…

Certains animaux, comme les crotales, possèdent en plus

de leurs yeux des capteurs d’infrarouge extrêmement sensibles leur permettant d’obtenir une véritable image de leurs proies à sang chaud… dans le noir !

I ^nfrarouge Perdus dans la nature par une nuit obscure,

nous ne sommes pas rassurés... Le monde alentour nous éclaire pourtant, mais d’une lumière... invisible.

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Si la Terre reste notre préférée,

Jupiter est la plus impressionnante planète du système solaire,

deux fois et demie plus massive que toutes les autres réunies !

La grande famille des planètes forme deux clans opposés.

Blotties près du Soleil, Mercure, Vénus, la Terre et Mars ont

une croûte de sable et de roche.

Ce sont les quatre planètes telluriques.

Puis viennent les géantes gazeuses – Jupiter, Saturne,

Uranus et Neptune – énormes

boules d’hydrogène et d’hélium agitées de tempêtes. Chacune est entourée de son cortège

d’anneaux et de satellites.

Et le minuscule Pluton, perdu dans les confins glacés

du système solaire ? Il appartiendrait en fait à la lointaine ceinture d’astéroïdes de Kuiper !

J ^upiter Le roi des dieux règne sur les planètes du système solaire. Un géant, à la fois pesant... et vaporeux !

CIER

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Ce que l’on mesure en kilogrammes, c’est la masse de l’objet.

Kilo de plumes, de plomb ou d’astronaute !

La masse d’un objet, c’est la

quantité de matière qu’il contient.

Elle ne dépend pas d’où il se trouve, on emporte partout ses kilos avec soi !

La Terre attire les objets vers le sol.

C’est le poids.

Et la Lune ?

Elle aussi attire les objets,

en l’occurrence nos astronautes.

Mais six fois moins que la Terre ! Ils peuvent sauter beaucoup plus haut, même s’ils n’ont pas perdu 1 gramme de masse !

La référence de masse pour toutes les balances du monde est le kilogramme étalon, cylindre en platine

conservé au Pavillon des Poids et Mesures de Sèvres.

K ^ilogramme On raconte que sur la Lune, les astronautes se sentent légers, légers…

20 kilogrammes scaphandre compris ? Faux !

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La lumière, c’est de l’énergie

à l’état pur qui se déplace, même dans le vide, à partir de sa source (le Soleil, une lampe…). Rien ne va plus vite : 300 000 kilomètres par

seconde dans le vide !

Elle fait partie d’une vaste famille – les « rayonnements électromagnétiques » – dont

les autres membres sont invisibles : rayons gamma, rayons X utilisés pour scruter l’intérieur du corps, rayons ultraviolets

qui font bronzer ou brûlent, rayons infrarouges produits

par le Soleil, les êtres vivants…, micro-ondes des fours, ondes

hertziennes (radio, télévision, téléphonie mobile)…

Suivant les circonstances, la lumière se comporte soit

comme une onde (d’où les reflets irisés qui apparaissent sur une nappe d’huile), soit comme un « jet » de grains de lumière appelés « photons ».

L ^umière Soleil, étoiles ou vers luisants… bougies, lampes ou lasers…

Mais au fait, qu’est-ce que la lumière ?

CIER

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Constituée d’atomes souvent

groupés en molécules, la matière c’est tout ce qui nous entoure,

vivant ou non.

Dans un solide, les atomes

ou molécules sont admirablement empilés : la tasse a une forme bien à elle.

Dans un liquide, les molécules glissent les unes sur les autres : le café coule et adopte la forme de la tasse.

Quant au gaz – comme la vapeur –, c’est la grande liberté ! Atomes

et molécules, dispersés, virevoltent en tous sens. L’arôme du café

envahit la pièce.

Et les pâtes, gels, mousses, cristaux liquides… ?

Ni solides, ni liquides, ce sont des états intermédiaires.

Et les étoiles ? À ces températures infernales, la matière

M ^atière Une tasse, un café noir, son fumet

qui s’échappe… Solide, liquide, gaz… : la matière, c’est une « affaire d’état ».

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Invisible dans l’air, la vapeur d’eau se condense dans

les nuages en fines gouttelettes ou en cristaux de glace.

Observer ces nuages permet

parfois de prévoir le temps qu’il fera demain près de chez nous.

Cela ne suffit pas pour

des prévisions météorologiques fiables sur plusieurs jours

et à l’échelle d’un pays.

On utilise alors des modèles complexes qui décrivent

les phénomènes atmosphériques et leur évolution. Modèles

qui nécessitent de mesurer tout autour de la Terre de nombreux paramètres (températures,

pressions, vents, courants marins...).

des calculs colossaux !

Même les plus puissants ordinateurs ne s’y retrouvent pas toujours...

« Lune cerclée, pluie assurée ».

Un halo lumineux entoure parfois la lune quand sa lumière est déviée par les cristaux de glace de certains nuages...

qui se transforment souvent en pluie.

N ^uage Cumulus, stratus, cirrus, nimbus… Malgré leur variété, les nuages ne sont surtout que de l’eau.

CIER

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Les vagues sur la mer sont des ondes : l’eau monte et descend

régulièrement, animée par le vent.

Leur choc sur les rochers crée

des variations de pression de l’air.

Nos oreilles captent ces ondes de pression et notre cerveau

les traduit en « bruit des vagues ».

La lumière du soleil se réfléchit sur la mer : encore des ondes.

Et celles du téléphone portable ? Invisibles, certes, mais de la même famille que la lumière : celle

des ondes électromagnétiques.

Quelle que soit leur nature, les ondes ont une « longueur » : pour les vagues c’est la distance entre deux crêtes,

et une « période » : le temps mis par l’eau pour monter et redescendre au même endroit.

O ^nde Imaginez... le bruit des vagues qui se brisent sur les rochers, les reflets du soleil couchant...

Le portable sonne ! Que d’ondes, que d’ondes !

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Au XIX

^e

siècle, on identifie

les électrons, particules présentes dans tous les atomes.

Au tout début du XX

^e

siècle, preuve est faite que l’atome

contient un noyau en son centre, avec des électrons autour.

On découvre ensuite que le noyau renferme lui-même des particules encore plus petites : des protons et des neutrons.

Et dans la deuxième moitié

du XX

^e

siècle, on met en évidence que protons et neutrons sont

eux-mêmes constitués de quarks.

Dans tout l’Univers, on rencontre seulement douze sortes

de particules de matière vraiment indivisibles, élémentaires,

dont les électrons et les quarks.

Elles ont toutes été détectées dans les grands accélérateurs de particules !

En plus, chaque type de particule de matière a son « antiparticule » ! Et ce n’est pas tout : il y a aussi des particules « messagères », qui assurent les interactions entre les particules de matière.

P ^articule Tel une poupée gigogne, l’atome renferme d’autres « boules » qui elles-mêmes…

CIER

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Le quartz est pourtant un minéral banal, la silice, qu’on trouve

en quantité dans le sable.

Tantôt le quartz est mêlé à d’autres minéraux, comme dans le granit.

Tantôt on le rencontre seul, en empilements réguliers

qui forment des cristaux durs et transparents.

Mais comment le quartz devient-il pierre précieuse ? Rien de plus

facile à plusieurs dizaines de

kilomètres sous terre, là où chaleur et haute pression font partiellement fondre les roches en magma.

Mélangez le quartz avec une pincée de fer, et vous obtenez une

superbe améthyste. Chauffez-la et voici une magnifique citrine !

Quand on fait passer un courant électrique dans un cristal de quartz, il vibre à une fréquence très précise. C’est elle qui rythme nos montres à quartz !

Q ^uartz Agate, œil-de-tigre, jaspe, onyx … Ce torrent de joyaux jaillit d’une source unique, le quartz !

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Spontanément, au hasard,

certains atomes se transforment en d’autres atomes. Ces atomes instables sont dits « radioactifs ».

Naturelle, la radioactivité ? Oui : granit de Bretagne, air, étoiles… contiennent

des atomes radioactifs.

Artificielle ? Oui aussi ! L’homme fabrique, en laboratoire ou

dans les bombes et centrales

nucléaires, de nouveaux atomes radioactifs.

Bombes A, accidents de centrales…

la radioactivité peut tuer.

Mais à doses contrôlées, elle peut traiter des cancers.

Et certains atomes radioactifs sont indispensables pour dater roches, ossements ou… œuvres d’art.

C’est le français Henri Becquerel qui a découvert la radioactivité en 1896.

Pierre et Marie Curie ont mis en évidence nombre de nouvelles substances radioactives.

R adioactivité

Nocive ou utile ? Sorcière ou bonne fée ? La radioactivité a un double visage…

CIER

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Le Soleil est une étoile, la plus proche de nous : c’est pour cela qu’elle paraît si grosse.

C’est une immense boule de gaz (surtout de l’hydrogène).

Au cœur du Soleil règnent une

température infernale (15 millions de degrés !) et une pression

titanesque (230 milliards de fois

plus forte que la pression atmosphérique !).

Dans ces conditions, la matière se transforme par des réactions nucléaires (un peu comme dans certaines bombes atomiques) en produisant une énergie

gigantesque. Celle-ci se propage jusqu’à la surface où elle jaillit

sous forme de lumière.

Le Soleil est situé à 150 millions de km de la Terre. Sa lumière voyage à 300 000 km par seconde et met environ 8 minutes

pour nous parvenir. Ainsi, nous voyons le Soleil tel qu’il était…

il y a 8 minutes !

S ^oleil Indispensable à la vie, le Soleil brille sans faiblir depuis 5 milliards d’années et brillera encore tout

aussi longtemps.

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Pourquoi un écoulement est-il

parfois « laminaire », se déplaçant toujours dans la même direction, et parfois « turbulent », avec des tourbillons dans tous les sens ?

Cela dépend de sa vitesse, mais

aussi des obstacles qu’il rencontre.

Une rivière paisible se transforme en torrent écumant quand

la pente augmente et des rapides se forment autour des pierres.

La turbulence complique aussi

grandement les prévisions météo ou la conception des avions :

ce qui est vrai dans l’eau l’est également dans l’air.

Un fluide qui s’écoule est soumis à deux effets : l’inertie, qui entretient les mouvements, et la viscosité, qui les freine.

L’écoulement est turbulent quand l’inertie domine, laminaire quand c’est la viscosité.

T ^urbulence Ouvrez un robinet : l’eau sort en un jet

régulier. Tirez la chasse d’eau : elle se précipite en tourbillonnant.

CIER

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L’Univers, par définition, englobe tout : la matière (de la Terre

jusqu’aux galaxies les plus

lointaines) ; la lumière et les autres formes d’énergie ; l’espace dans lequel nous nous mouvons

et le temps qui s’écoule.

De nombreuses observations astronomiques montrent que,

dans le passé, l’Univers était très différent d’aujourd’hui. Il serait né il y a 13,7 milliards d’années, dans une grande explosion

(« Big Bang ») où tout a été créé.

Tout petit au début, sa taille

a augmenté de plus en plus vite.

Le célèbre physicien Albert Einstein, dans ses théories

de la relativité, a émis l’idée – vérifiée depuis – que l’espace et le temps sont indissociables : c’est l’ « espace-temps ».

U ^nivers À la fois contenant et contenu, l’Univers, c’est tout ce qui existe.

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V ^ent D’où vient-il ? Où va-t-il ? Difficile à savoir quand il tourbillonne.

Le vent, c’est bien sûr de l’air qui se déplace.

La température joue un grand rôle.

L’air chaud est plus léger, sa pression est plus faible et il s’élève. Il est remplacé

par de l’air plus froid, plus lourd, à plus forte pression.

L’air se déplace donc des hautes vers les basses pressions.

Plus la différence est grande, plus le vent souffle !

Est-ce aussi simple ?

Non, car la Terre tourne

et cette rotation dévie la trajectoire de l’air. Vers la droite

dans l’hémisphère Nord, l’inverse au Sud.

Sans compter les frottements de l’air sur le relief !

Sur l’air en mouvement, comme sur tout ce qui bouge, la rotation de la Terre induit la force de Coriolis.

Celle-ci explique la rotation des tornades et intervient aussi sur les courants marins.

CIER

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Le Temps arriva accompagné de l’enfant Colosse.

« Vois cette montagne, Colosse.

Penses-tu être assez fort pour la soulever ? »

Colosse avait la fierté de

sa jeunesse. Il déploya toute son énergie, et força, força…

Après mille et une années, il put enfin la soulever.

Colosse grandit. La montagne n’avait pas changé, il fallait

toujours la même énergie titanesque pour la soulever.

Seulement maintenant, Colosse y parvenait en un instant :

il avait gagné en puissance.

Ainsi, faut-il beaucoup d’énergie pour déplacer une montagne,

et beaucoup de puissance pour le faire vite.

Dans le Système International, l’unité d’énergie est le joule, et non plus la calorie ; celle de puissance est le watt. Ainsi une ampoule de 100 watts consomme 100 joules par seconde.

W ^att Au sommet d’une montagne, Watt, fils de Puissance, et Joule, fils d’Énergie, se disputaient à qui était le plus fort.

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Plutôt mystérieux les rayons X…

Semblables aux rayons lumineux, mais invisibles et beaucoup plus pénétrants, ils traversent peau et organes. Os et dents

les arrêtent. C’est le principe de la radiographie.

Les rayons X sont déviés,

en partie, par les objets. C’est la diffraction, très utile pour

analyser finement la structure des matériaux : des métaux

à l’ADN, des minéraux aux virus.

À doses contrôlées, les rayons X permettent de traiter les tumeurs ; mais trop concentrés… ils brûlent.

Quant aux rayons X venant des galaxies, ils sont arrêtés

par l’atmosphère. Leurs précieuses informations sont recueillies

par des satellites.

La découverte des rayons X, en 1895, valut à Wilhelm Röntgen le premier prix Nobel de physique. Ce fut une révolution

médicale : les premières radiographies furent réalisées en hôpital moins de deux ans après.

X ( rayons X )

Ils sont invisibles, mais traversent

notre corps en créant des photos très intimes…

CIER

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Après avoir traversé deux lentilles – la cornée et le cristallin –,

elle atteint la rétine, une fine membrane qui tapisse le fond de l’œil.

La rétine comporte 125 millions de cellules spécialisées,

les photorécepteurs. Quand un « grain » de lumière frappe l’une d’elles, il déclenche une

cascade de réactions chimiques.

Ceci produit finalement

une sorte de courant électrique, un influx nerveux.

Après plusieurs étapes,

les influx issus des photorécepteurs parviennent au cerveau

qui les interprète pour reconstituer une image.

Pas étonnant qu’une machinerie aussi complexe supporte mal

l’éclat du soleil !

L’extrême sensibilité de l’œil à la lumière se paie par une forte dépense d’énergie : proportionnellement à son poids,

la rétine consomme six fois plus d’oxygène qu’un muscle.

Y ^eux « Baissez le store, j’ai le soleil dans les yeux ! » Que devient la lumière dans notre œil ?

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35 ° C, le chocolat fond dans la main.

1500 ° C, l’acier coule dans les hauts-fourneaux.

6000 ° C, nous voici à la surface du Soleil. Et au cœur de notre

étoile… des millions de degrés ! Et à l’opposé ?

À 0 ° C l’eau se transforme en glace.

L’air devient liquide à – 196 ° C.

Et puis…

– 273,15 ° C : barrière infranchissable des températures négatives !

Aucune température, nous dit la physique, ne pourra franchir cette limite. C’est le zéro absolu.

La température est une mesure, à notre échelle, de l’agitation des atomes de la matière.

Moins les atomes bougent, plus la température est basse.

À l’approche du zéro absolu, les atomes sont quasi-immobiles.

Z ^{éro absolu} 25 ° C, l’été pointe le bout de son nez…

Un hiver en Sibérie, on a enregistré – 70 ° C.

Mais jusqu’où la température peut-elle grimper ou redescendre ?

CIER

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Malgré leur apparente diversité, tous les éléments de la nature