Comment les micro-ondes nous aident à communiquer entre nous et à entendre l'univers

Le Pape observe. Il vaudrait mieux que cela fonctionne. De telles pensées ont peut-être traversé l'esprit de Guglielmo Marconi en 1932, alors qu'il installait une antenne spéciale dans les jardins du Vatican, sous le regard de Sa Sainteté le Pape Pie XI.

Cette antenne faisait partie d'une nouvelle liaison radio reliant le Vatican à la résidence d'été du pape, Castel Gandolfo. Et pas n'importe quelle liaison radio. Celle-ci utilisait des micro-ondes – des ondes radio à très hautes fréquences. Marconi a également mis au point un système de communication micro-ondes portable, fixé à une voiture, reliant le pape en déplacement au Vatican. Certains ont affirmé qu'il s'agissait du premier téléphone portable, bien qu'il fût très grand.

Treize ans plus tôt, Marconi avait partagé le prix Nobel de physique pour ses contributions à la télégraphie sans fil. L'ère de la radio était en plein essor. Mais en se tournant vers les micro-ondes, Marconi s'intéressait à une partie du spectre radioélectrique aux propriétés très particulières.

Les micro-ondes peuvent transporter d'énormes quantités d'informations. Elles peuvent également cuire des aliments ou brouiller les systèmes électroniques d'un ennemi. Elles ont même contribué à révéler les origines de l'univers.

Pip-pip-pip

Bien avant que Marconi ne construise un téléphone à micro-ondes pour le pape, quelqu'un d'autre avait déjà expérimenté des fréquences similaires.

À la fin du XIXe siècle, un brillant scientifique indien du nom de Jagadish Chandra Bose – aujourd'hui malheureusement largement oublié – a développé l'une des premières technologies à micro-ondes.

Cela comprenait le tout premier équipement permettant de générer des ondes millimétriques – les ondes utilisées aujourd'hui par les appareils 5G. En 1895, Bose démontra que les ondes millimétriques pouvaient sonner une cloche, et même déclencher une arme à feu à distance.

Marconi a sans doute acquis une partie de sa célébrité grâce à Bose.

Le 12 décembre 1901, utilisant une fréquence autre que les micro-ondes, l'inventeur italien réalisa la première transmission radio transatlantique. Installé dans une cabane au sommet d'une falaise de Terre-Neuve, il écouta un déluge de bruits tourbillonnants dans ses écouteurs pendant des heures, jusqu'à ce qu'il entende ce qu'il attendait.

Pip-pip-pip.

Le code Morse de la lettre S. Frénétiquement, il passa l'écouteur à son collègue et lui demanda : « Entends-tu quelque chose ? » Il entendait.

C'était un exploit incroyable. Ces ondes radio avaient parcouru plus de 3 200 kilomètres depuis le sud de l'Angleterre, à travers les eaux libres. À l'époque, son record de transmission radio longue distance n'était que de 130 kilomètres.

Depuis, certains se sont demandé si la transmission s'était réellement déroulée comme Marconi l'a décrite. Cependant, des recherches récentes montrent que cela était théoriquement possible, même avec son équipement radio primitif.

Parmi ces équipements se trouvait un dispositif appelé cohéreur, un simple détecteur de signaux radio. Bien que les archives soient quelque peu obscures, il semble que ce cohéreur ait été conçu par nul autre que Bose.

« Il a inventé des instruments fascinants », explique Sudipto Das, biographe de Bose.

Mais Bose était peut-être trop en avance sur son temps. D'une part, au début du XXe siècle, il existait peu d'applications utiles aux micro-ondes qui n'étaient déjà réalisables avec les ondes radio de basse fréquence. Bose a alors délaissé la physique pour se consacrer à sa plus grande passion, la physiologie végétale, et « a failli sombrer dans l'oubli », explique Das.

Popcorn magnétron

Cependant, la Seconde Guerre mondiale a redonné de l'importance aux micro-ondes. Le radar permettait aux armées de détecter les avions ennemis en leur faisant rebondir des signaux radio. Un dispositif à micro-ondes, le magnétron à cavité, développé en Grande-Bretagne en 1940, s'est avéré être l'une des technologies radar les plus puissantes et les plus efficaces du moment.

Assez petit pour être installé sur un avion, sa portée et sa précision fantastiques ont donné aux pays alliés un avantage important qui les a aidés à gagner la guerre.

C'est également un magnétron émettant des micro-ondes qui a inspiré l'ingénieur de Raytheon, Percy Spencer, à inventer les fours à micro-ondes en 1945. Une barre de cacahuètes qu'il avait dans sa poche s'est mise à fondre lorsqu'il est passé devant des magnétrons dans un laboratoire. Plus tard, lorsqu'il a brandi un paquet de pop-corn, celui-ci a éclaté et « explosé dans tout le laboratoire », a rapporté un article du Reader's Digest.

Cela se produit parce qu'à certaines fréquences, les micro-ondes excitent les molécules présentes dans les aliments, les faisant vibrer à la même fréquence. La friction qui en résulte réchauffe les aliments.

Pour les fours à micro-ondes, la fréquence idéale est de 2,4 gigahertz (GHz), la même fréquence que celle utilisée par de nombreux routeurs Wi-Fi. Cependant, les routeurs émettent des micro-ondes à des niveaux de puissance bien inférieurs à ceux des fours à micro-ondes ; c'est pourquoi il est impossible de faire du pop-corn simplement en surfant sur Internet.

Choisir la bonne fréquence pour la cuisson est primordial, explique Caroline Ross du Massachusetts Institute of Technology. Les micro-ondes à 2,4 GHz pénètrent bien à l'intérieur des aliments, et cette fréquence permet également une absorption uniforme du rayonnement par les molécules alimentaires.

« À des niveaux plus élevés, par exemple des dizaines de gigahertz, la profondeur de pénétration est assez faible, ce qui la bloque par presque tout, même l'eau dans l'air », explique-t-elle.

Les micro-ondes sont particulièrement efficaces en raison de leur capacité, à certaines fréquences, à interagir avec la matière. D'accord, réchauffer les restes de son dîner peut paraître anodin, mais pourquoi ne pas utiliser les micro-ondes pour induire des bruits dans la tête des gens ?

Syndrome de La Havane

Les militaires qui travaillaient à proximité des grandes installations radar à micro-ondes construites pendant la Seconde Guerre mondiale se souvenaient plus tard qu'ils pouvaient sentir le radar fonctionner. « Il était possible d'entendre la fréquence de répétition du radar lorsque nous nous tenions près du cornet de l'antenne », écrivait un témoin dans les années 1950.

James Lin, professeur émérite à l'Université de l'Illinois à Chicago, a entendu de telles histoires et a tenté de reproduire l'effet dans son laboratoire dans les années 1970. « Je me suis utilisé comme cobaye, en gros », se souvient-il, décrivant comment il a installé une antenne micro-ondes et l'a pointée directement sur sa tête.

Lin a suggéré que les micro-ondes provoquaient des ondes de pression dans sa tête, qu'il percevait comme des sons. Pour éviter de brûler son cerveau, il maintenait la puissance à un niveau bas. « J'entendais le pouls », dit-il. « Le fait que je sois encore en vie… je suppose que ce n'était pas si grave. »

C'est ce que l'on appelle l'effet auditif des micro-ondes et qui pourrait contribuer à expliquer une série de maladies mystérieuses signalées par des diplomates américains du monde entier, notamment à La Havane, à Cuba.

Les victimes du syndrome de La Havane rapportent d'étranges grincements, une sensation de pression dans les oreilles, des étourdissements, des nausées et des pertes de mémoire. Un ennemi dirigeait-il un faisceau de micro-ondes vers ces personnes ? Si certains ont rejeté cette hypothèse, Lin affirme qu'elle reste l'explication la plus plausible des symptômes auditifs.

Les armes à micro-ondes existent bel et bien, même si celles dont on parle publiquement visent généralement les machines plutôt que les personnes. L'armée américaine possède par exemple des missiles capables de détruire les appareils électroniques ennemis grâce à des micro-ondes. Ces dernières peuvent même abattre des drones.

En revanche, Lin a développé des méthodes d'utilisation des micro-ondes pour soigner, par exemple pour traiter les maladies musculaires et les arythmies cardiaques.

Pour ces dernières, il affirme qu'il est possible d'insérer un minuscule dispositif émettant des micro-ondes dans le cœur, via un cathéter, afin de détruire les tissus cardiaques anormaux. Cette technique, désormais largement utilisée, est moins invasive que la chirurgie à cœur ouvert, souligne-t-il : « Il suffit d'envoyer une impulsion à haute puissance, un micro-onde, pour brûler les tissus. »

L'univers parle

Mais les micro-ondes ne sauvent pas seulement des vies. Elles ont aussi contribué à révéler les origines de l'univers. Au début des années 1960, les radioastronomes Arno Penzias et Robert Woodrow Wilson ont tenté d'utiliser une grande antenne en forme de cornet dans l'État américain du New Jersey comme radiotélescope. Mais ils n'ont cessé de capter un sifflement ou des parasites irritants.

À un moment, ils pensèrent que cela était dû à des fientes de pigeons dans l'antenne ; ils les chassèrent donc et nettoyèrent le désordre. Cependant, les oiseaux n'étaient pas responsables. Ce que Penzias et Wilson entendaient, c'était le son de l'univers lui-même.

« C'est un instantané des temps anciens », explique Sean McGee, de l'Université de Birmingham. Penzias et Wilson avaient découvert ce que nous appelons aujourd'hui le rayonnement de fond cosmologique – une signature héritée du Big Bang, lorsque l'univers a explosé il y a environ 13,8 milliards d'années. Penzias et Wilson ont remporté la moitié du prix Nobel de physique de 1978 pour leurs travaux.

Le rayonnement résiduel qu'ils ont détecté est présent dans tout le cosmos. Une faible proportion de l'image statique et neigeuse des écrans de télévision analogiques lui est imputable. Autrement dit, avant l'arrivée des écrans LED, les gens captaient des vestiges du Big Bang dans leur salon.

Les satellites ont finalement aidé les astronomes à cartographier le fond diffus cosmologique, enregistrant ses fluctuations sous forme de légères différences de température. Ces fluctuations semblent avoir influencé la formation des galaxies à mesure que l'univers s'étendait.

« Nous sommes tous le résultat de fluctuations quantiques survenues dans l'univers primordial, qui ont ensuite donné naissance aux galaxies », explique McGee.

Aujourd'hui, les gens utilisent des micro-ondes pour tout appel international par satellite. Un progrès considérable par rapport aux équipements embarqués que Marconi avait installés pour le pape dans les années 1930.

Il est tout à fait logique que de nombreuses personnes utilisent les micro-ondes pour communiquer entre elles au quotidien, car c'est aussi ainsi que l'univers nous a parlé, confirmant ainsi notre compréhension de la plus grande histoire de tous les temps : celle de la naissance de tout.

Ce contenu est une coproduction entre Nobel Prize Outreach et la BBC.