Nhiệt độ có thể có ở khoảng giá trị nào?
Nhiệt độ 300 K ngự trị trên Trái đất để nước chảy thành sông, đổ thành thác. Đó là điều kiện tiên quyết để xuất hiện sự sống trên hành tinh. Liệu nhiệt độ ôn hòa này có tồn tại đâu đó trong Vũ trụ không? Hiện nay không ai biết cả, nhưng lại có các nhiệt độ cực đoan nhất ở đây: chất khí có thể bị nuốt chửng bởi các thiên thể đặc nhất, như lỗ đen hoặc sao nơtron, có nhiệt độ hơn một triệu độ. Khi bị nóng lên như vậy, vật chất biến đổi thành plasma: các electron thoát khỏi lòng nguyên tử và hạt nhân lang thang một mình. Cả một đại dương electron và hạt nhân nguyên tử bị phiêu bạt. Trạng thái này của vật chất rất phổ biến trong Vũ trụ: khí nóng phát ra các tia X và gamma rất giàu năng lượng mà người ta có thể thu được nhờ các vệ tinh khảo sát thiên văn.
Nhưng các nhiệt độ ở gần một lỗ đen không giống với mức nhiệt độ quen thuộc. Các nhà vũ trụ học có xu hướng giải thích những giây phút đầu tiên của vũ trụ bằng các phương trình, đã ước tính nhiệt độ hợp với những mô hình của họ: chẳng hạn một tỷ giây sau Vụ nổ Lớn (Big Bang), có thể đã tồn tại nhiệt độ l013 K, nhiệt độ cần thiết để tạo ra các hạt đầu tiên ổn định là proton và nơtron, thành phần của các hạt nhân nguyên tương lai…
Về phía nhiệt độ thấp, thiên nhiên đã được tăng gấp đôi nhờ các thí nhiệm: người ta có thể làm lạnh những chất rắn hoàn toàn tới vài phần triệu Kelvin, còn các nguyên tử lạnh tới vài phần tỷ Kelvin. Vậy một nguyên tử lạnh và bà con bị đốt nóng của nó có gì khác nhau? Nguyên tử lạnh cứng như bị treo trong chân không, không có chuyển động nhiệt này phân biệt trạng thái quen thuộc của nó khi nó được vùi vào trong lòng một vật có nhiệt độ xung quanh. Muốn giữ nó như vậy, người ta chĩa vào nó rất nhiều tia laser có cường độ bằng nhau. Lợi ích của công việc này không phải để thấy tên mình được ghi trong sách về các kỷ lục, mà là xử lý được các nguyên tử gần giống như những quả mận: di chuyển từng nguyên tử và đếm. Nhằm mục đích gì? Để kiểm tra các định luật của vật lý lượng tử, và lâu dài hơn, để chế tạo các chùm laser trong đó các hạt ánh sáng sẽ được thay thế bằng các nguyên tử.
