Physique | Dr. Goulu

Le Théorème de Noether a un siècle

Sat, 23 Jun 2018 00:00:00 +0000

Emmy Noether

Il y a pile un siècle, en 1918, la mathématicienne Emmy Noether publia un résultat si important pour la physique qu’Einstein le qualifia de “monument de la pensée mathématique”.

En deux mots, le théorème de Noether relie les lois de conservation à la symétrie des lois de la physique.

Les lois de conservation

Depuis quelques siècles, les scientifiques se sont aperçus que certaines propriétés d’un système physique restent constantes lors de ses transformations, donnant naissance à autant de .

La plus connue est certainement le :

… car rien ne se crée, ni dans les opérations de l’art, ni dans celles de la nature, et l’on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l’opération ; que la qualité et la quantité des principes est la même, et qu’il n’y a que des changements, des modifications.

mais il n’est pas exact. Il semblait très valable jusqu’à la découverte de la radioactivité et de la relativité, qui permettent à la masse de varier. Mais en y incorporant le fameux E=m.c² , c’est devenu le fameux principe de .

Le principe de conservation de la est encore plus ancien, déjà mentionné par Galilée au XVIIème siècle. On l’appelle plutôt “ actuellement : en l’absence de forces, les corps tendent à poursuivre leur trajectoire en ligne droite, à vitesse constante.

Le principe de est encore moins intuitif, mais tout aussi réel:

A ces trois lois de la mécanique classique s’ajoutent la et celle du en électromagnétisme, et en physique des particules, la et celles du et du décrivent les transformations “autorisées” des particules.

Ce paragraphe, mais aussi le jargon courant des physiciens, mélange allègrement les notions de “ ” et de “ ”. C’est un premier effet du théorème de Noether : historiquement un principe est une “loi apparente qu’aucune expérience n’a invalidée jusque-là bien qu’elle n’ait pas été démontrée.” Mais justement, Emmy Noether a démontré que ces principes découlent de la symétrie, et peuvent donc être considérés comme des lois.

La symétrie en physique

En mathématiques, la est une notion : elle inclut toutes les transformations qui préservent la “structure” d’un objet. En géométrie, les translations et rotations sont aussi des symétries, et comme l’avait pressenti en 1894, cette notion peut être étendue à la physique :

Je pense qu’il y aurait intérêt à introduire dans l’étude des phénomènes physiques les considérations sur la symétrie familières aux cristallographes.
\[…\]
Les physiciens utilisent souvent les conditions données par la symétrie, mais négligent généralement de définir la symétrie dans un phénomène.
\[…\]
Deux milieux de même dissymétrie ont entre eux un lien particulier, dont on peut tirer des conséquences physiques.

En effet, une symétrie correspond mathématiquement à un , qui est une généralisation d’une d’un ensemble dans lui-même. Quand cet ensemble est l’ , on retrouve les symétries géométriques, mais on peut aussi considérer comme ensemble le champ électrique ou l’ dans lequel les définissent des symétries.

Ainsi par exemple la “symétrie par translation dans le temps” est la façon scientifique de dire que si on ne lui fait rien subir pendant une seconde, une patate reste une patate.

Emmy et son théorème

Née en 1882, est la fille du mathématicien , très connu alors. Très douée, elle renonce à devenir enseignante de français ou d’anglais pour étudier les maths. Après une thèse en 1907, elle travaille bénévolement à l’Université d’Erlangen car les femmes ne peuvent y obtenir un poste. Repérée par LE (né à …), elle le rejoint à l’Université de Göttingen (où là non plus, elle n’est pas acceptée comme professeur(e)…) en 1915.

En fait Hilbert l’a invitée pour profiter de son expertise en pour l’aider à éclaircir certains aspects mathématiques de la d’Einstein, publiée également en 1915. Hilbert avait remarqué la relativité semblait violer le principe de la conservation de l’énergie, l’énergie gravitationnelle pouvant elle-même créer une force d’attraction*. Noether fournit une explication de ce paradoxe, et développa à cette occasion son fameux qu’elle en 1915, mais ne publia qu’en 1918 .

À la réception de son travail, Einstein écrivit à Hilbert :

J’ai reçu hier de Mademoiselle Noether un article fort intéressant sur les invariants. J’ai été impressionné par le degré de généralité apporté par cette analyse. La vieille garde à Göttingen devrait prendre des leçons de Mademoiselle Noether ; elle semble maîtriser le sujet !

Après ça, elle a finalement été nommée , mais toujours pas professeur(e) …

Alors que dit-il finalement, ce fameux théorème ? Il dit :

À toute transformation infinitésimale qui laisse le d’un système invariant à une dérivée temporelle totale près correspond une grandeur physique conservée.

Autrement dit : si une transformation ne change pas les lois de la physique (qui peuvent s’écrire sous la forme d’un **), alors il existe une valeur mesurable qui reste constante quelle que soit cette transformation.

Le théorème de Noether démontre donc mathématiquement l’équivalence entre le fait que les lois de la physique restent constantes selon certaines transformations et l’existence de lois de conservation correspondantes !

Par exemple, puisque nous pouvons faire des expériences qui donnent le même résultat quelle que soit notre orientation dans l’espace (c’est le cas car l’espace est , alors il existe une grandeur qui se conserve lorsqu’un système est en rotation. Cette grandeur bien connue des patineuses est le

Voici toutes les lois de conservation et leurs symétries correspondantes:

Propriété du	Symétrie	Invariant
Espace homogène	Invariance par dans l’espace	Conservation de l’ ,
Espace isotrope	Invariance par rotation dans l’espace
Système indépendant du temps	Invariance par translation dans le temps (les lois sont les mêmes tout le temps)
Pas d’identité propre des particules	Permutation de particules identiques	,
Pas de référence absolue pour la phase des particules chargées	Invariance par changement de phase	Conservation de la

L’héritage

Chassée par les nazis, Emmy Noether a poursuivi sa carrière aux Etats-Unis où elle décède en 1935 déjà, à 53 ans, des suites d’une opération. Elle n’a donc pas vu la notoriété de son résultat augmenter spectaculairement dès les années 1970. Comme souvent, il faut quelques temps aux travaux géniaux pour être reconnus :

Nombre de mentions d’Emmy Noether dans la littérature (Google NGrams)

C’est que le théorème de Noether est devenu un outil fondamental de la physique théorique, non seulement à cause de l’éclairage qu’il apporte aux lois de conservation, mais aussi comme une méthode de calcul effective. De plus, il facilite l’étude de nouvelles théories : si une telle théorie possède une symétrie, le théorème garantit l’existence d’un invariant, lequel doit être expérimentalement observable.

Pour “la vie de tous les jours” la leçon à retenir est qu’Emmy Noether a démontré que ! “L’énergie pure”, ça n’existe pas. L’ est juste un nombre qui reste constant lors de toutes les transformations possibles d’un système, et ce nombre existe parce que les lois de la physique ne varient pas dans le temps (= “invariance par translation dans le temps”).

Voilà donc une 4ème et excellente raison de et à tous les doux rêveurs de systèmes “surunitaires” qui produiraient (conditionnel) plus d’énergie qu’ils en consomment (présent):

Si ! Le est démontré depuis un siècle, et par une dame en plus !

Notes :

* j’ai repris plusieurs passages de n’ayant pas pu mieux dire…

** le théorème de Noether a été “facilement” étendu aux plus utilisés en mécanique quantique, physique statistique etc.

Références

Lavoisier, Traité élémentaire de chimie , 1789
Pierre Curie, « Sur la symétrie dans les phénomènes physiques : Symétrie d’un champ électrique et d’un champ magnétique », Journal de Physique théorique et appliquée, 3e série, vol. 3,‎ septembre 1894, p. 393-417 DOI>
Noether, E.. “Invariante Variationsprobleme.” Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse 1918 (1918): 235-257. .
Kosman-Schwarzbach, Y. (2004). Les théorèmes de Noether : invariance et lois de conservation au XXe siècle (avec une traduction de l’article original : “ Invariante Variationsprobleme ”). _Book. Éd. de l’École polytechnique. Retrieved from
Noether, E., & Tavel, M. A. (2005). Invariant Variation Problems. DOI>
Kosmann-Schwarzbach, Y. (2011). The Noether Theorems. (J. Z. Buchwald, J. L. Berggren, C. Fraser, T. Sauer, & A. Shapiro, Eds.), _Book. Springer.DOI>
Philippe Etchecopar, “Emmy Noether, mathématicienne (1882-1935)”
Irène, “ ” sur Podcast Science

Pourquoi on ne peut plus mesurer la vitesse de la lumière

Fri, 26 May 2017 00:00:00 +0000

Sur Quora, il y a souvent des questions stupides. Par exemple, quelqu’un a récemment demandé “ ”. Au moment où j’hésitais entre “downvoter” la question ou répondre “pfff, ben bien sur qu’on peut!” en étalant ma science sur (découvert grâce au livre “ ”) puisque tout le monde connait déjà l’ , je suis tombé sur qui me colle une baffe : depuis 1983, on ne peut effectivement plus mesurer la vitesse de la lumière !

Car en 1983, la a défini le comme étant 1/299'792'458 ème de la distance parcourue par la lumière dans le vide en une seconde. Depuis, la vitesse de la lumière dans le vide est forcément et très exactement égale à 299'792'458 m/s, sans aucune marge d’erreur. Si une expérience donnait un résultat différent, ce serait obligatoirement à cause d’une erreur expérimentale sur la mesure de la distance et/ou du temps. La vitesse de la lumière est devenue une constante, une définition.

Et si comme moi vous avez de la peine à vous souvenir de cette constante et avez tendance à l’arrondir à 300'000 km/s, voici la phrase mnémotechnique ad-hoc:

La constante lumineuse restera désormais là, dans votre cervelle

On compte les lettres de chaque mot : 2 9 9 7 9 2 4 5 8 !

Peut mieux faire

Je me suis demandé si la CGPM n’aurait pas du en profiter pour mettre un peu d’ordre dans tout ça, parce que la étant définie comme la durée de 9192631770 oscillations d’une horloge à césium, il n’est pas très pratique de faire un mètre étalon en comptant 9192631770/299792458 =30.663318988498369762190615254354779665604529650976076256… oscillations. Ce n’est pas une jolie fraction* car le de 9192631770 et de 299792458 n’est que 14. S’il est désormais très difficile de changer la durée de la seconde, peut-être aurait-on pu redéfinir légèrement le mètre en utilisant un dénominateur légèrement supérieur à 299792458 (pour se rapprocher des 300'000 km/s) donnant un pgcd plus grand.

En , je trouve que 299901462 aurait bien convenu. Le pgcd vaut alors 13039194, ce qui permettrait de mesurer 23 “nouveaux mètres” comme étant la distance parcourue par la lumière en 705 oscillations de césium pile poil. Mais cela aurait raccourci le mètre de 0.4 mm soit 0.04% environ… Où aurait-ce causé des problèmes ?

Note * : exercice pour la prochaine fois : trouver le de cette fraction.

Applications des éléments du tableau périodique

Sun, 08 Jan 2017 00:00:00 +0000

Tombé sur ce très joli tableau périodique des éléments où figure une utilisation typique de chaque élément :

(Cliquer pour la version interactive, plus lisible sur petit écran)

C’est une oeuvre de Keith Enevoldse*, qui a aussi constitué une tirée principalement de deux livres , . Et parmi elles il y en a beaucoup que je ne connaissais pas, y compris pour des éléments relativement courants.

Eléments “légers”

La fibre de permet de faire des tiges de club de golf et des cannes à pêche encore plus résistantes, légères et chères que le
Le ajouté en petite quantité (0.5% ou moins) à l’ permet de le souder plus facilement et le rend plus résistant à la fatigue. C’est notamment utilisé dans les cadres de vélos.
Le est utilisé malgré son prix élevé dans des flashs photographiques et car il produit une lumière très blanche grâce à plusieurs pics d’émission dans le spectre visible.
Le permet de faire des horloges atomiques moins précises, mais plus simples et moins chères que le . Les satellites utilisent des horloges au Rubidium
L’ est dans les batteries de nos voitures pour les protéger contre la corrosion..
Le se retrouve dans les et autres dispositifs
Le absorbant particulièrement bien les rayons X, il est utilisé pour augmenter le contraste lors d’examens radiologiques du tube digestif

Ces éléments que l’on appelle plutôt maintenant ne servent pas qu’à faire des aimants au ou au . Ils ont un nombre impressionnant d’applications modernes:

le augmente l’ du verre, ce qui permet de faire des lentilles moins épaisses. Là je me permets de critiquer le dessin du figurant dans la table, qui est un télescope à miroir. Une eut été** préférable.
Le compose le des pierres à briquet.
Le combiné avec le (60) colore les verres de protection solaire jusqu’aux lunettes de soudeur.
Le est un élément radioactif produit par la fission de l’Uranium 238. Ses isotopes ayant des demi-vies de quelques années seulement, il n’en que existerait que ~572 grammes sur Terre produits par . Mais on a pu en extraire quelques dizaines de grammes des “déchets” nucléaires, et aujourd’hui ont en produit également en bombardant du néodyme 146Nd avec des neutrons ce qui le transforme en 147Nd qui se désintègre par émission β– , avec une demi-vie de 11 jours, en prométhium 147, 147Pm. Cet isotope émet un rayonnement beta à faible énergie, juste assez pour exciter du phosphore et lui faire émettre de la lumière pendant des années. Entre on l’utilise donc pour produire des peintures lumineuses moins toxiques que celles au et plus brillantes que celles au , mais moins durables aussi.
L’ était utilisé pour doper les phosphores de tubes cathodiques notamment le vanadate d’yttrium YVO4 dans des phosphores rouges. Maintenant il a d’ aussi variées que les lasers, la mesure en géologie et la synthèse chimique par RMN.
Le aussi a beaucoup d’ , parmi lesquelles celle d’agent de contraste en .
Le produit une fluorescence verte qui est utilisée dans de nombreuses applications allant des tubes cathodiques aux écrans à rayons X.
Le et le Terbium se retrouvent dans le , le matériau le plus connu : il se dilate sous l’effet d’un champ magnétrique. Ce sert à créer des transducteurs et actionneurs.
L’ double la longueur d’onde des lasers , les rendant utilisables comme scalpels en chirurgie.
L’ aussi permet de produire des lasers médicaux, surtout . Mais il sert surtout à réaliser des capables d’amplifier les signaux dans une fibre optique sans conversion en signal électronique.
Le est également utilisé dans les laser médicaux, mais plutôt pour l’ablation de la prostate que pour la chirurgie de l’œil d’après ce que j’ai pu trouver…
L’ a pour l’instant peu d’ commerciales. Mais on peut entre autres en faire (encore) des lasers.
Le est le plus rare des “terres rares”, mais il faut relativiser cette dénomination : il est en réalité plus abondant que l’argent, le mercure ou le bismuth. Mais il est tellement dilué, en particulier dans la qui fournit , qu’on n’en produit qu’une dizaine de tonnes par an. Assez pour l’utiliser en : une molécule basée sur le lutécium, le est utilisée pour combattre certains cancers du sein ou des mélanomes.

Eléments lourds

Le sert à faire des barres de contrôle dans les réacteurs nucléaires de sous-marins.
Le est incorporé à des très résistants à hautes températures utilisés dans les réacteurs d’avions et de fusées.
Le forme avec le un qui reste liquide jusqu’à -60°C : idéal pour les thermomètres des régions très froides.
Le entre dans la composition du qui fond à environ 70°C. On l’utilise entre autres pour boucher les “ ” anti-incendie

Elements radioactifs

Les éléments suivants sont tous radioactifs, ce qui ne les empêche pas d’être utiles, voire de sauver des vies:

Le est désormais connu comme un poison très efficace, mais avant ça on en faisait des brosses antistatiques…
L’ est un également utilisée en pour le traitement de . Mais attention à utiliser l’isotope 211 qui transmute en bismuth et pas l’isotope 210 qui devient du polonium …
Le est un gaz radioactif produit par la désintégration de l’uranium qui a été utilisé en pour le traitement anticancéreux.
L’ a été utilisé en radiothérapie, mais il semblerait qu’on puisse également en faire des pour nos prochaines sondes lointaines.
Le pourrait être une de nos principales sources d’énergie propre dans les prochains siècles, mais dans le passé et dans les campings il a servi à nous illuminer dans les des lampes à gaz.
L’ sert de source ionisante dans les .
Le est la source de rayonnement alpha utilisée dans les (APXS) avec lesquels les véhicules martiens Sojourner, Spirit et Opportunity ont analysé le sol de la planète Mars.

Voilà. Encore un article plus long que je ne l’avais imaginé, mais intéressant, n’est-ce pas ?

Note :

*voir aussi sa pleine de choses intéressantes. ** sans circonflexe sur le “eut”, c’est le passé antérieur, pas le plus que parfait. Et toc.

Références:

Isaac Asimov (1974). Building blocks of the universe.. Abelard-Schuman.
Albert Stwertka (2002). A guide to the elements. Oxford University Press.

Solutions admissibles

Sun, 11 Sep 2016 00:00:00 +0000

Chaque fois que je tombe sur des théories physiques un peu exotiques comme la , le ou les , je repense à une anecdote survenue lors d’un examen de physique au .

Mathématiquement, il suffit d’attendre un moment …

Contrairement à , le très divertissant prof de maths, notre prof de physique était, en première approximation, un affreux cynique antipathique assénant des notes impitoyables à des élèves terrifiés. Le problème qu’il nous avait énoncé de sa voix nasillarde* ce jour là était de ce genre:

Un conducteur roule à 72 km/h lorsqu’il aperçoit un gros rocher sur la route devant lui. Après un temps de réaction, il écrase le frein quand sa voiture de 1000 kg n’est plus qu’à 10 m de l’obstacle. La force de freinage est de 10000 . Déterminez si sa voiture heurte le rocher, et si oui après combien de temps et à quelle vitesse.

Fââcile : , donc a=F/m, la voiture ralentit pile à a=10 m/s². La vitesse initiale de 72 km/h correspond à v0=20 m/s. La position de la voiture en fonction du temps s’écrit p(t)=v0.t-a.t²/2 qu’on résout pour p(t)=10 m , ce qui donne l’équation du second degré: -5t²+20t-10 = 0

Comme le discriminant b²-4ac vaut 400-4.5.10 = 200 est positif, il existe des solutions donc la bagnole tape bien dans le caillou après t=2±√2 secondes, Et pour la vitesse on a v(t)=v0-a.t ce qui donne la vitesse au moment où la voiture heurte l’obstacle : v=±10√2 m/s, soit ±51 km/h environ.

Tous ceux qui ont donné ce résultat ont eu zéro. Et une bordée du prof en prime, dont je me rappelle quasiment chaque mot 35 ans plus tard:

Alors comme ça bande de **, vous croyez aveuglément une équation qui donne des solutions débiles ? Vous croyez que la bagnole va traverser le rocher, s’arrêter après et reculer sous l’effet des freins pour se fracasser une deuxième fois en marche arrière ? On est pas au cours de maths ici ! En physique un problème a des solutions admissibles***, mais aussi des solutions inadmissibles. C’est la Nature qui dit si une solution de maths est admissible ou pas. Si vous pigez pas ça, vous êtes nuls : zéro !

Dur. Mais juste. Avec le recul, la leçon était très importante.

L’ (pas E=mc², l’autre, celle de la ) est un chef d’oeuvre. Albert a généralisé la de Newton en décrivant comment l’énergie et la matière déforment l’espace et le temps. Le problème est que l’équation d’Einstein admet de nombreuses solutions qu’on peut classer ainsi:

celles qui correspondent aux observations : le , l’ , la précession du périhélie de Mercure, les , le décalage des horloges atomiques situées à des altitudes différentes ou en mouvement l’une par rapport à l’autre, et encore tout récemment les .
celles qui ne sont carrément pas compatibles avec notre Univers. La plus fameuse “solution inadmissible” est due à Einstein lui-même : lorsqu’ s’est aperçu que l’équation d’Einstein décrivait un univers en expansion (ou en contraction), Albert a ajusté la de son équation pour forcer l’Univers à être statique. Lorsque montra que l’Univers était bel et bien en expansion, Einstein dit qu’il avait fait la plus grosse gaffe (“blunder” en anglais) de sa vie. D’autres solutions mathématiquement correctes de l’équation d’Einstein sont très surprenantes, comme l’ dans lequel le voyage temporel est non seulement possible, mais inévitable .
Les fameuses théories “exotiques” ( , etc.) dont on ne sait pas encore si elles sont “admissibles” ou non. Mais ces solutions mathématiques font apparaître des choses étranges comme de l’ et/ou de la dont on pas vu le début du commencement d’une apparence d’existence. Bon, il y a bien l’ mais il revient un peu à jouer un peu sur les notions de et de .

C’est pourquoi je reste très sceptique face à ces admirables et très respectables solutions mathématiques de physique théorique. Mon indécrottable exige de voir dans cet univers un petit quelque chose de concret qui supporte l’idée qu’une voiture puisse éviter un rocher en passant par un trou de ver, ou qu’une voiture de masse négative puisse accélérer en marche arrière si on appuie sur le frein…

Notes:

*j’avais écris “nazillarde”… Toujours est-il qu’il nous avait donné un jour un problème consistant à calculer la force avec laquelle le nez d’un alpiniste se fracassait contre le rocher après une chute d’un surplomb avec une corde d’une élasticité donnée. Lorsque le résultat (quelques ) avait été trouvé, il avait conclu “Ouais. Je suis solide hein ?” Il nous avait donné comme exercice…

** son insulte favorite, suffisamment pédante pour être tolérée dans un collège catholique de l’époque…

*** l’expression n’est pas courante en physique, mais très habituelle en , ou une “solution admissible” n’est pas optimale, mais satisfait les contraintes du problème. En physique, on pourrait appeler “solution admissible” une solution qui satisfait les contraintes de l’observation expérimentale (la voiture ne peut pas traverser le rocher), même si on y beaucoup de phénomènes (frottement de l’air, variation de la force de freinage). On peut ensuite “optimiser” la solution en y incorporant ces phénomènes au besoin.

**** Finalement, la gaffe n’est peut-être pas si monumentale que ça vu que l’ due à la mystérieuse pourrait correspondre à une valeur précise de la .

Références

M Buser, E Kajari and W P Schleich “Visualization of the Gödel universe’", 2013 New J. Phys. 15 013063) DOI ( )

Comment voir avec ses oreilles

Wed, 18 May 2016 00:00:00 +0000

Découvert avec stupéfaction l’existence de l’ : quelques aveugles sont capables de se repérer dans l’espace et de détecter des obstacles d’après les échos de petits sons qu’ils émettent, souvent des claquements de langue.

Un des plus célèbres était Ben Underwood, hélas décédé. Il était capable d’éviter des obstacles sur le trottoir, de rouler à bicyclette et de jouer au basket, entre autres activités étonnantes pour un aveugle

Aujourd’hui le plus célèbre est probablement qui, après avoir étudié ce sujet , a fondé une qui enseigne sa technique aux jeunes aveugles. Sa vaut le coup… d’œil :

_kish_how_i_use_sonar_to_navigate_the_world?language=fr

Dans un récent article du blog du cerveau , on apprend que Daniel Kish et Brian Bushway, un autre écholocateur, ont testé leur étonnante capacité dans un appareil d’ pour une étude scientifique . Comme ils ne pouvaient “cliquer” de façon utile dans cet environnement fermé et bruyant, les expérimentateurs leur ont repassé des sons préalablement enregistrés au niveau de leurs oreilles dans divers environnements.

Daniel Kish a été capable d’identifier correctement 99% des situations dans lesquelles les sons avaient été enregistrés, et Brian Bushway 82% ! L’écart s’explique peut-être par le fait que Bushway, 27 ans, est devenu aveugle à 14 ans alors que Kish 43 ans est aveugle depuis l’âge de 13 mois. Outre l’écart d’expérience, les mesures IRM ont montré qu’il est probable que la plasticité du cerveau à la petite enfance a aidé Kish plus que Bushway à réaffecter pour l’écholocation des parties du cortex normalement dévolues à la vision :

image de l’activité cérébrale de Kish (EB) et Bushway (LB) comparée à des sujets contrôle pendant l’audition d’échos de clicks

Le plus surprenant est arrivé lorsque les expérimentateurs ont eu l’idée saugrenue de faire écouter à Bushway des clicks de Kish et vice-versa. Kish a immédiatement dit qu’il avait l’impression d’être plus grand … Et effectivement, Bushway est nettement plus grand que Kish, qui a réussi à percevoir cette différence dans les échos : à 300 m/s, le son de la voix met une milliseconde de plus à être réfléchi par le sol si on mesure 15 cm de plus !

Références

Ben Underwood “The Boy Who Sees Without Eyes” ( )
Daniel C. Kish, “Evaluation of an Echo-Mobility Program for Young Blind People”, 1995, Master Thesis, Department of Psychology, California State University,‎ San Bernardino
sur le blog du cerveau
L. Thaler, S. R. Arnott, and M. A. Goodale, “Neural correlates of natural human echolocation in early and late blind echolocation experts” 2011, PLoS One, vol. 6, no. 5, e20162.
Jean-Claude Ameisen “ ”, émission radio “Sur les Epaules de Darwin”, France Inter 13 décembre 2014

Fusion thermonucléaire amusante

Tue, 08 Mar 2016 00:00:00 +0000

cliquez pour jouer en ligne !

Grâce à , je viens de découvrir une variante addictive et nucléaire du fameux à la mode il y a deux ans : .

Ce jeu permet de se familiariser avec la : il s’agit de provoquer la d’atomes de plus en plus lourds à partir de l’Hydrogène, jusqu’à fabriquer un atome de

Malgré les apparences, le jeu est très différent du “2048”. Pour commencer, on n’additionne pas les atomes comme des puissances de deux.

Les règles de fusion des atomes sont représentées dans le graphe ci-contre (fait avec ) . Comme on le voit, le 4Helium (He4) est un ingrédient indispensable: il faut en produire autant que possible. A l’inverse, le 24Magnesium est un piège à éviter car une fois synthétisé, on ne peut rien en faire.

Ensuite, certains atomes sont instables et se transmutent en d’autres au bout d’un nombre de coups indiqué dans une pastille verte. Il faut donc se dépêcher de combiner du Be8 avec un He4 pour produire du C12 avant que le Be8 ne se désintègre en He4. Et si on produit du Be7 par erreur, il n’y a plus qu’à attendre qu’il fasse de même. Idem pour le Ne20 qui finira par produire du très utile O16, mais il faut veiller à ce qu’il ne rencontre pas un He4 pendant sa “demi-vie” sous peine de tomber dans le piège du magnésium. Enfin, une fois le Fe52 produit il faut très vite lui ajouter un He4 pour produire du Ni56 sans quoi on retombe au Cr48. Et une fois le Ni56 synthétisé, il faut encore être capable de jouer quelques coups en attendant qu’il transmute en Fe56 victorieux.

Comme le disent les auteurs et cette nucléosynthèse est simplifiée pour rendre le jeu jouable (mais difficile), mais correspond le mieux possible aux processus de fusion actifs dans les vieilles étoiles.

Je trouve très intéressante cette combinaison d’une interface utilisateur ultra-simple avec un processus physique pas intuitif du tout. Le résultat est vraiment prenant (je n’ai pas encore gagné …) Je ne sais pas si les joueurs apprennent véritablement quelque chose sur la nucléosynthèse, mais peut-être que ce jeu peut générer de l’intérêt pour ce mécanisme fondamental de l’Univers.

Accessoirement je vais regarder de plus près, car j’ai toujours en réserve l’idée d’un jeu sur la qui pourrait s’inspirer de Fe

\[26\]

. S’il y a un programmeur JavaScript intéressé à collaborer dans la salle…

Einstein et les ondes gravitationnelles

Sun, 14 Feb 2016 00:00:00 +0000

Dessin de Valott paru dans "24 Heures"

En recherchant où et quand Einstein avait prévu l’existence des ondes gravitationnelles dont tout le monde parle, je suis tombé non seulement sur son article en allemand de 1918 , mais aussi sur un court article qui en retrace l’historique .

En fait, Einstein s’était planté deux ans plus tôt dans un autre article . Il y avait développé une approximation linéaire de la solution des équations de la relativité générale en considérant la gravitation par analogie avec l’électrodynamique : il considérait alors (comme moi jusqu’à aujourd’hui…) qu’une masse accélérée générait une onde gravitationnelle comme une charge électrique génère une onde électromagnétique.

Ensuite il s’est aperçu que ce n’était pas ça : il faut que “quelque chose tourne”. Les ondes gravitationnelles sont produites lorsque le , ou plus précisément le moment du qui le généralise, varie brutalement.

Einstein et les autres physiciens ont vite remarqué que l’amplitude de ces ondes, si elles existaient, était extraordinairement faible. A tel point qu’Einstein lui même se mit à douter de leur existence.

En 1935, il soumit à “Physical Review” un article intitulé “Do gravitational waves exist ?” coécrit avec dans lequel il exposait ce qu’il écrivit à son ami :

Avec un jeune collaborateur, je suis arrivé à un résultat intéressant : les ondes gravitationnelles n’existent pas, bien qu’elles aient été supposées certaines en première approximation. Ceci nous montre que les équations de champ de la relativité générale, non linéaires, peuvent nous en dire plus, ou plutôt nous limiter plus que nous pensions jusqu’ici.

Mais “Physical Review” refusa son article, ce qui créa une petite crise entre l’un des physiciens les plus réputés et l’un des principaux journaux scientifiques de l’époque. . Einstein et Rosen publièrent donc leur article dans un journal moins connu et en édulcorant un peu leurs conclusions définitives, ce qui fait qu’on a un peu oublié les doutes du génie devant les conséquences de son oeuvre.

Sur les résultats récents de LIGO je vous recommande:

et de David de Science étonnante
L’article de Nicola Twiller dans le New-Yorker " " que David recommande fort justement
qui pose le prochain challenge : savoir si les ondes gravitationnelles se propagent à la vitesse de la lumière, ou juste un peu en dessous. Ce qui revient à déterminer si le a une (petite) masse, ou pas du tout.

Pour ma part, j’avoue qu’en écrivant il y a pile deux ans, je ne pensais pas qu’on arriverait à détecter des ondes gravitationnelles à la surface de notre planète. Je m’attendais à ce que des instruments affranchis des vibrations parasites de notre environnement soient indispensables. Je me suis trompé.

Références

Albert Einstein, “ ” Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akad. der Wissenschaften, 1918.
Wolfgang Steinicke, “ ” Astron. Nachrichten, vol. 326, no. 7, pp. 640–641, 2005.
Albert Einstein, “ ”, Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin, 688–696. 1916
Kennefick, D. (2005). Einstein versus the Physical Review Physics Today, 58 (9), 43-48 DOI: ( )
A. Einstein and N. Rosen, “On gravitational waves,” J. Franklin Inst., vol. 223, no. 1, pp. 43–54, Jan. 1937. DOI:
Einstein, A., Infeld, L., Hoffmann, B “The Gravitational Equations and the Problem of Motion” Annales of Mathematics 39 (1938), 65–100
(ajouté le 16.02.2016) : Jérôme Novak “ ”, 2009, (slides introduisant le problème + simulation numérique)

La physique par les objets quotidiens

Sun, 03 Jan 2016 00:00:00 +0000

Pour Noël, la m’a gentiment offert un exemplaire du livre Cédric Ray, Jean-Claude Poizat (2007). La physique par les objets quotidiens. Belin. ( )

Les 16 chapitres décrivent les principes de fonctionnement d’autant d’objets du quotidien : les ampoules à incandescence, les ampoules à décharge et les tubes fluorescents, la montre à quartz, la télévision, le réfrigérateur, les détecteurs de fumée, le four à micro-ondes, les plaques électriques, le disque compact, les écrans à cristaux liquides, le disque dur, le photocopieur, le système GPS de positionnement par satellites, l’échographie médicale, le scanner à rayons x, le réacteur nucléaire.

Bon, pour les derniers on peut discuter de l’appellation “objet quotidien”, mais il fallait bien que les auteurs, professeurs à l’ de Lyon puissent aborder un peu leur domaine.

Chaque chapitre obéit à la même structure : un petit historique des découvertes et inventions relatives à l’objet, un descriptif du fonctionnement appuyé par de nombreuses illustrations, et des encarts colorés éclairant certains concepts un peu plus pointus comme la polarisation de la lumière ou les domaines magnétiques des aimants. A la fin de chaque chapitre, une “foire aux questions” pose et répond à une dizaine de questions en rapport avec le sujet.

La difficulté de tout ouvrage de vulgarisation scientifique est de s’adresser à un large public sans être trop barbant pour ceux qui connaissent déjà le sujet. Les efforts des auteurs pour élargir leur lectorat sont louables : aucune formule dans le texte, des paragraphes “En bref” qui résument le chapitre en une seule phrase, des blocs qui tentent l’exercice difficile de l’analogie entre phénomènes physiques et vie quotidienne. Mais ils présupposent quand même certaines connaissances de leurs lecteurs : dès la page 9 on lit par exemple que le filament d’une ampoule doit être “protégé du dioxygène, car s’il était porté à sa température de fonctionnement en présence de ce gaz, il brûlerait instantanément.” Au lecteur de savoir que le dioxygène compose 21% de l’air ambiant pour comprendre…

Il me semble donc ce livre s’adresse principalement aux personnes ayant subi un cours élémentaire de physique, lycéens ou adultes curieux, et qui souhaiteraient (re)connecter ce savoir livresque plus ou moins oublié avec le concret.

Pour ma part j’y ai appris plusieurs choses intéressantes, notamment sur les détecteurs de fumée qui n’avaient pas trop éveillé ma curiosité jusqu’ici. Et j’ai aussi apprécié les multiples confirmations de ce que je vous dis assez souvent sur ce blog : entre une découverte fondamentale et son application commerciale il se passe beaucoup, beaucoup de temps. Par exemple la première horloge à quartz date de 1927 (et pas des années 50 comme je l’imaginais), alors que l’effet piézoélectrique était déjà connu depuis 50 ans…

Outre le , “La physique par les objets quotidiens” obtient donc la mention “Lu et approuvé par Dr. Goulu”. Cependant je vous conseillerais de vous renseigner sur une possible nouvelle édition avant de l’acheter car certains chapitres me semblent déjà un peu dépassés, comme celui de la télévision (à tube cathodique et transmission analogique) ou celui sur le disque compact, ou même le photocopieur, objets du quotidien de nos (grands-)parents…

Merci à Agathe de pour la copie presse!

La Renaissance du temps 2/2

Thu, 31 Dec 2015 00:00:00 +0000

Beaucoup trop longtemps après publiée lors de la du Café des Sciences, voici la fin du compte rendu consacré à la seconde partie du livre “grand public” de sur le temps.

Dans cette seconde partie, Smolin plaide en faveur de la réalité du temps et présente sa propre conception du temps. Petit rappel en préambule : Smolin est un cosmologiste reconnu qui a travaillé pendant des décennies avec les plus grands sur ce sujet, donc avant de le traiter d’hurluberlu aux idées délirantes, rappelez-vous qu’il peut vous asséner des “peer reviewed” et des tableaux noirs pleins de formules pour défendre son point de vue.

Mais il peut aussi se planter, et il l’admet, et ce qui en fait un scientifique.

11. les lois évolutives

Le chapitre 11 présente une première idée iconoclaste, celle de “lois évolutives” résultant d’une “ ” . L’hypothèse de base est que les univers se reproduisent par la création de nouveaux univers au cœur des trous noirs. Ces bébés univers auraient des constantes universelles légèrement différentes de celles de leur parent, mais seuls ceux qui seraient “fertiles” en trous noirs comme le notre se “reproduiraient” au cours d’un temps infini. Smolin propose un test indirect de son hypothèse : en simulant des univers dont les constantes universelles seraient légèrement différentes du nôtre, on devrait vérifier qu’ils produisent moins de trous noirs que le notre. D’autres hypothèses sont plus facilement testables et pourraient infirmer la sélection cosmologique naturelle, notamment une concernant les kaons qui jouent un rôle dans la masse minimale des étoiles à neutrons .

D’autre part, la sélection naturelle cosmologique nie l’épisode d’ . Selon la théorie de Smolin, l’Univers ne débute pas par une singularité mais par la taille du trou noir qui lui donne naissance, donc si les fluctuations du mesurées par que l’on est en train d’analyser ne sont pas compatibles avec son hypothèse, Smolin admet que sa théorie sera .

12. la mécanique quantique et la libération de l’atome

Smolin commence par relever l’échec de la mécanique quantique à décrire nos expériences individuelles et quotidiennes avant de livrer son credo:

J’en suis venu à croire que la mécanique quantique connaîtra le même sort que les grandes théories de Ptolémée et de Newton. Peut-être ne pouvons-nous pas la comprendre tout simplement parce qu’elle n’est pas vraie. Au lieu de cela, il est vraisemblable qu’elle soit une approximation d’une théorie plus profonde qui sera plus simple à comprendre. Cette théorie plus profonde est la théorie cosmologique inconnue que désignent tous les arguments de ce livre. La clef est, ici encore, la réalité du temps.

Mais Smolin reconnait que sa théorie doit décrire trois propriétés de la nature que la mécanique quantique a mis en évidence : l’ , la et les “questions incompatibles” associées au . Smolin esquisse les contours d’une variante de la mécanique quantique qu’il qualifie lui-même de spéculative, dans laquelle intervient un “principe de précédence” proche d’une idée énoncée par il y a plus d’un siècle:

Toutes choses ont une tendance à prendre des habitudes. Pour les atomes et leurs constituants, les molécules et les groupes de molécules, et en bref chaque objet réel concevable, il y a une plus grande probabilité d’agir comme lors d’une occasion antérieure qu’autrement. Cette tendance elle-même constitue une régularité, et ne cesse de s’intensifier.

Smolin relie ce principe de précédence au (qu’il trouve mal nommé, le libre arbitre étant un “concept glissant” selon lui) pour définir la “quantité de liberté” liée à une théorie, cette quantité étant la “quantité d’information sur un système dont vous aurez besoin afin d’être capable de faire des prédictions sur son futur”. Par exemple, la mécanique classique, déterministe, est la théorie qui minimise la liberté des systèmes étudiés. Lors de ses travaux , Smolin a montré que la mécanique quantique la maximise, puis a formulé une nouvelle formulation de la mécanique quantique combinant ce “principe de liberté maximale” et le “principe de précédence”.

Dans cette théorie, les particules interagissent avec leurs copies dans le passé pour “savoir” comment se comporter. Smolin admet ne pas trop savoir comment ça se passe, mais renvoie la question différemment : comment un quark sait-il qu’il est un quark ? Smolin soutient que sa théorie satisfait au moins la “fermeture explicative”, qui n’est possible qu’en admettant la réalité du temps. Par contre elle ne satisfait pas le “principe de raison suffisante” : comme les systèmes quantiques sont fondamentalement libres, il n’existe aucune raison rationnelle au résultat d’une expérience individuelle comme la désintégration d’un noyau radioactif.

13. le combat de la relativité et du quantum

Dans ce chapitre, Smolin s’attaque au conflit persistant depuis un siècle entre la mécanique quantique et la relativité et aux tentatives de résoudre ce conflit par les “théories aux ” comme la . Pour Smolin, le principal défaut de cette théorie est de ne pas satisfaire le critère du . L’ de la mécanique quantique corrige ce défaut, mais nécessite de considérer que la réalité “choisit” au hasard le résultat d’une expérience individuelle parmi la collection de tous les résultats possibles, ce qu’Einstein avait déjà compris:

Essayer de concevoir la description par la théorie quantique comme la description complète des systèmes individuels mène à des interprétations théoriques non naturelles, qui deviennent aussitôt superflues lorsqu’on accepte l’interprétation que la description se réfère à des ensembles (ou collections) de systèmes et non à des systèmes individuels. (Albert Einstein )

Mais où donc se trouvent ces “collections”, puisque la fermeture explicative exige qu’elle fasse partie de l’Univers ? Smolin propose une hypothèse pour le moins audacieuse : toutes les particules de l’Univers forment les “collections” de ces particules. Lorsqu’on observe un atome d’hydrogène, la position de son électron est “copiée” à partir de celle d’un autre atome d’hydrogène pris au hasard parmi tous ceux de l’Univers. Smolin a inventé des “règles de copiage” des propriétés qui donnent des probabilités pour la réponse d’un atome à une mesure rigoureusement identiques à celles calculées par la mécanique quantique. La théorie “interprétation d’ensemble réel” de Smolin explique bien l’intrication et autres phénomènes “non locaux” de la mécanique quantique, et aussi pourquoi les “gros” systèmes n’obéissent pas à la mécanique quantique : ils n’ont pas de copie dans l’Univers *.

Reste un gros problème : l’ “interprétation d’ensemble réel” n’est pas plus compatible avec la relativité que les autres interprétations de la mécanique quantique. Mais elle est compatible avec l’existence d’un temps réel, absolu:

Soit la mécanique quantique est la théorie finale et il n’y a pas moyen de sonder au delà du voile statistique pour atteindre un niveau de description plus profond, ou bien Einstein, Newton et Galilée avaient tort, il n’y a pas de relativité du mouvement, et avait raison : il existe une version privilégiée du mouvement et du repos.

14. la renaissance du temps par la relativité

Pour Smolin, le conflit entre mécanique quantique et relativité ramène à un conflit entre la relativité et le qu’il s’agit de résoudre en faveur de ce dernier. Ceci ne demande pas d’abandonner la théorie de la relativité mais de la reformuler.

La initiée par remplace la relativité du temps par la relativité de la taille des objets. L’idée est qu’il n’est pas possible de comparer la taille d’un objet proche avec celui d’un objet lointain sans déplacer l’un des objets ou une règle d’un objet à l’autre, soit exactement la même problématique que pour synchroniser deux horloges. Pour les théoriciens, cette dualité est complète, du même ordre que la : la “dynamique des formes” est parfaitement équivalente à la théorie de la relativité générale.

Mais alors qu’il n’existe pas de temps privilégié en relativité einsteinienne, il existe un temps universel en dynamique des formes, un temps absolu qui n’a de sens qu’à l’échelle de l’Univers. De plus en dynamique des formes il existe une grandeur sur laquelle tous les observateurs s’accordent : la taille de l’Univers. Pour Smolin, le temps vient d’être redécouvert : il mesure l’expansion de l’Univers !

15. l’émergence de l’espace

Ce long chapitre est le plat de résistance du livre. C’est là que ça passe où ça casse, et j’ai mis plus de deux semaines à le digérer avec peine. Il commence très fort:

L’aspect le plus mystérieux du monde est juste sous nos yeux. Rien n’est plus banal que l’espace, et pourtant lorsque nous l’examinons de près, rien n’est plus mystérieux. Je crois que le temps est réel et essentiel à une description fondamentale de la nature. Mais je crois probable que l’espace va s’avérer n’être qu’une illusion (…)

Selon Smolin, l’existence d’un temps réel est indispensable pour réconcilier les deux pans de la physique, mais l’espace ne l’est pas. Parmi les théories ayant exploré l’idée que l’espace d’une structure de plus fondamentale, la première est la “ ”.

Représentations graphiques de la triangulation dynamique causale d’un espace à 2 dimensions. J’ai mis cette vidéo là car je l’ai trouvée jolie, mais je n’y ai rien compris. Pour plus de détails, voir la .

Puis a proposé la “ ” (sic) . D’autres théories comme les et certaines variantes de la ramènent à la même idée.

Tout comme la dont elles sont assez proches, ces théories postulent que l’espace et le temps sont discrets à l’ (idée ). Smolin a besoin d’une quinzaine de pages pour décrire les propriétés du graphe défini par les “arêtes” de cette discrétisation dans ces différentes théories. Je résume ce que j’en ai retenu, en quelques lignes, avec les incohérences résultant des différences entre ces théories:

Les particules et leurs propriétés correspondent à la configuration du graphe à très petite échelle.
L’ensemble du graphe forme l’état quantique de l’Univers.
Les arêtes définissent la localité : deux nœuds connectés par une arête sont tellement proches que nous les percevons comme identiques. L’ et autres phénomènes de s’expliquent par des arêtes “court-circuitant” l’espace en liant des noeuds que nous percevons comme éloignées.
Les particules passent d’un noeud à un noeud voisin (= connecté par une arête d’une ) en un temps extrêmement bref ( un ), ce qui définit la vitesse de la lumière.
Initialement, l’Univers était très fortement connecté, tous les noeuds du graphe étaient locaux. Il était à la fois minuscule et doté de très nombreuses dimensions
Avec le temps, le graphe se transforme à très petite échelle selon des règles très simples qui tendent à réduire la dimensionnalité du graphe à 3, les trois dimensions de l’espace que nous percevons:

Un triomphe de la gravitation quantique à boucles est que la dynamique de l’espace-temps qui est donnée en relativité générale par les peut effectivement être codée en règles simples quant à la manière dont le graphe évolue dans le temps. (…) Nous considérons la gravitation quantique à boucles comme une “quantification” de la relativité générale. A l’inverse il y a plusieurs résultats indépendants montrant que la relativité générale émerge des modèles de (…) une version quantique de l’univers bloc.

Il ne faut donc pas imaginer ce graphe comme “dans” l’espace mais comme générant l’espace. Comme le conclut Smolin : “l’espace pourrait donc bien être une illusion, mais le temps doit être réel.”

16 . vie et mort de l’Univers

Ce chapitre traite du lien entre le temps et la en tentant de répondre à l’une des questions les plus intrigantes à propos de l’Univers : pourquoi l’Univers est-il intéressant ? Pourquoi ce que nous voyons autour de nous est structuré et complexe, alors que la complexité est statistiquement improbable ?

Smolin commence par fournir une clef pour comprendre la thermodynamique moderne (qui inclut la ) : elle relie deux niveaux de description d’un système. A l’échelle microscopique, on peut définir un “micro-état” par la position et le mouvement de chaque particule, alors qu’à l’échelle macroscopique le “macro-état” ne comprend que quelques variables comme la pression et la température. La thermodynamique concerne les relations entre ces deux descriptions.

Musée Guggenheim de Bilbao (Photo Dr. Goulu sur flickr)

Smolin commence par montrer que l’ est l’inverse de l’information en utilisant une analogie architecturale. Il faut beaucoup d’information pour décrire le design du musée Guggenheim de Bilbao dont toutes les pièces sont distinctes et doivent s’assembler de manière précise (entropie faible). Pour un immeuble en briques, il suffit de définir les dimensions des murs, que les maçons auront une multitude de manières de réaliser avec les briques standard fournies.

Ensuite Smolin introduit la notion de à l’aide d’un jeu de cartes : en le brassant très longtemps, il finira par se retrouver dans l’ordre. La probabilité que les atomes d’un gaz enfermé dans une boîte se retrouvent soudain tous comprimés dans une moitié de la boîte est infinitésimale, mais pas nulle. Par contre il est certain que les processus aléatoires microscopiques produisent des fluctuations à plus grande échelle, comme le qu’Albert Einstein (encore lui!) a réussi à .

Selon le , l’entropie d’un système augmente, l’amenant inéluctablement vers un équilibre thermique. En plus, les lois de la physique étant symétriques par rapport au temps, il ne devrait pas y avoir de . Pourtant depuis 13 milliards d’années, l’Univers n’a pas atteint cet équilibre, et la flèche du temps est évidente : nous nous sentons et nous observons comme voyageant du passé vers le futur. Pour Smolin il existe en fait plusieurs flèches du temps:

la flèche du temps cosmologique, correspondant à l’expansion de l’Univers
la flèche du temps thermodynamique selon laquelle un petit système isolé tend à devenir désordonné
on naît, on grandit, on vieillit et on meurt selon la flèche du temps biologique
nous nous rappelons du passé mais pas du futur; c’est la flèche du temps de l’expérience
moins évidente : la flèche du temps électromagnétique. La lumière voyageant du passé vers le futur, nous voyons le monde tel qu’il était dans le passé, jamais comme il sera
la flèche du temps gravitationnelle est l’équivalent pour les ondes gravitationnelles
la flèche du temps des trous noirs. Il n’y avait apparemment pas de trou noir primordial au moment du Big Bang. Aujourd’hui il y en a des milliards, et toujours pas de à l’horizon.

Pourquoi toutes ces flèches distinctes alors que les lois de la physique sont réversibles dans le temps ? Pour Smolin, c’est que les conditions initiales ne sont pas symétriques. Les conditions initiales de notre Univers semblent finement ajustées pour produire un Univers asymétrique dans le temps. Les physiciens sont aujourd’hui capables d’imaginer les univers produits par des conditions initiales légèrement différentes : ils seraient très différents du notre. Mais alors comment les conditions initiales sont elles choisies ? Et pourquoi seules les conditions initiales définissent l’asymétrie par rapport au temps, et pas les lois ?

Il se pourrait que les lois physique ainsi que les conditions initiales découlent toutes d’une même loi, plus fondamentale, et asymétrique par rapport au temps.

Smolin examine ensuite une autre hypothèse historiquement évoquée, celle dite du : dans un univers très vaste à l’équilibre thermique, la probabilité qu’un être conscient soit spontanément assemblé par le mouvement aléatoire d’atomes n’est pas nulle. Et si le temps est infini c’est même une certitude : il devrait y avoir beaucoup plus de “cerveaux de Boltzmann” produits par de petites fluctuations que de cerveaux produits par un mécanisme comme l’Evolution qui nécessiterait une énorme fluctuation durant des centaines de millions d’années. Or nous savons que nous sommes produits par l’Evolution et nous ne connaissons aucun “cerveau de Boltzmann”, donc nous ne sommes pas dans une fluctuation de l’Univers.

La vision intemporelle de la physique basée sur le paradigme de Newton a montré son impuissance face aux questions les plus basiques de l’univers : pourquoi est-il intéressant (…) au point que des créatures comme nous puissions y être et nous en émerveiller ?

Mais si nous adoptons la réalité du temps, nous rendons possible une physique asymétrique par rapport au temps dans laquelle l’univers peut naturellement faire évoluer de la complexité et de la structure. Et ainsi nous évitons le paradoxe d’un univers improbable.

17. la renaissance du temps par la chaleur et la lumière

Dans ce chapitre, Smolin poursuit sa réflexion sur l’émergence de structures organisées, apparemment en contradiction avec le .

Il commence par remarquer que, selon le principe d’identité des indiscernables évoqué au Chapitre 10, chaque instant et chaque endroit à chaque instant est distinguable d’un autre de façon unique. Ceci implique que notre univers ne peut pas avoir de symétries exactes. Toutes les symétries postulées jusqu’ici se sont avérées approchées ou rompues (voir ).

Pour Smolin, deux types d’univers sont théoriquement possibles:

les univers “boltzmanniens”, en quasi équilibre thermique, dans lesquels des fluctuations dues au hasard provoquent des états complexes par pur hasard
les univers “leibniziens” dans lesquel des flux d’énergie comme ceux fournis par les étoiles permettent à des systèmes ouverts comme les planètes, les êtres vivants etc. d’évoluer vers des états de plus grande organisation:

Ainsi, Aristote avait raison lorsqu’il comprenait que notre domaine terrestre est maintenu loi de l’équilibre par le flux d’énergie qui le traverse. Ne pas avoir suffisamment su apprécier cette idée a conduit certains scientifiques et philosophes à voir un conflit entre la et le fait que la ait produit des structures toujours plus improbables.

Mais pourquoi existe-t-il des étoiles ? Quelles sont les caractéristiques permettant leur apparition. D’abord, il faut un “ajustement incroyablement précis des paramètres qui gouvernent la physique”, pour reprendre les termes de Smolin. C’est un fait assez connu : si les “constantes universelles” qui équilibrent les étaient légèrement différentes, l’univers serait très différent.

L’autre caractéristique relevée par Smolin est moins évidente : les systèmes régis par la gravitation sont d’une certaine façon “anti thermodynamiques”. En injectant de l’énergie dans une étoile, un système solaire ou une galaxie, il “refroidit”. Par exemple, si on donne de l’énergie à une planète, elle va s’éloigner de l’étoile pour tourner sur une orbite plus lointaine sur laquelle elle se déplacera moins vite: son énergie cinétique baisse, donc la du système baisse. Selon le même principe un amas d’étoiles qui éjecte de temps en temps une étoile passant trop près d’un système double se refroidit.

Ceci ne contredit pas la , mais juste son interprétation naïve qui considère que l’augmentation de l’entropie produit des structures uniformes, prévisibles. Selon Smolin, la seconde loi amène au contraire les systèmes gravitationnels vers une multitude d’états possibles, très hétérogènes. Et c’est grâce à ceci que notre Univers est encore très loin de sa , 13.7 milliards d’années après ses origines.

18. Infinité de l’espace ou infinité du temps ?

Mais si l’univers était “boltzmanien” et infini, et que nous ne vivions que dans une région de 93 milliards d’années lumière de diamètre apparue par une grosse fluctuation statistique ? Alors il y aurait une infinité de copies de notre région, et de toutes ses variantes imaginables, ou inimaginables. Pour Smolin, ce serait la “tragédie de l’infini boltzmannien” : la physique ne sert à rien car elle ne décrit qu’un seul possible. En même temps que vous faites une expérience, une infinité de copies de vous qui font la même expérience dans une infinité de copies de cet univers obtiennent d’autres résultats, comme dans la . Pour Smolin, cette idée est inacceptable.

Le seul moyen de nier l’univers boltzmannien infini serait de démontrer que l’espace est fini. Or, les mesures de la ne permettent pas encore de conclure si l’espace est

refermé sur lui même et fini comme une sphère (courbure positive)
“plat” et infini, ou fini et torique (le tore a une courbure moyenne nulle)
ou a courbure négative, ce qui laisse une infinité de possibilités…

Smolin note au passage que seuls un univers spatialement fermé et fini obéit au principe de fermeture explicative et au principe de raison suffisante.

La suite du chapitre concerne la finitude du temps. Si le temps est infini, alors une fois que notre univers aura atteint sa il restera une infinité de temps pour que des fluctuations aléatoires produisent une infinité de structures hautement improbables : on retombe sur le paradoxe du cerveau de Boltzmann…

La plus grande inconnue concernant ce futur très très lointain est le rôle qu’y jouera l’ . Elle semble accélérer l’expansion de l’univers, mais tant qu’on n’aura pas compris sa nature et son lien avec la on ne peut exclure l’hypothèse du de l’Univers dans lequel l’espace se recompacte en . Les modèles cosmologiques montrent qu’il s’ensuit un produisant un nouvel univers comme lors du . Un tel événement doit théoriquement laisser des traces dans le : on devrait y détecter d’une part des ondes gravitationnelles primordiales, d’autre part un certain type de non-gaussianité du rayonnement. Des expériences sont en cours pour vérifier ou infirmer cette théorie, et celle plus communément admise de l’ , mais c’est délicat comme l’a montré la récente “affaire” 2.

propose un assez surprenant. Selon lui, le gaz de photons qui remplira l’univers en est indiscernable de celui qui existait au moment du Big Bang, donc par le principe des indiscernables c’est la même chose, et un nouvel univers naît automatiquement. Dans ce cas on devrait identifier des motifs circulaires dans le fonds diffus. Penrose croyait les avoir trouvés en 2010 mais c’est fortement contesté.

Pour Smolin cependant, l’idée d’une succession d’Univers est indispensable pour permettre l’ajustement des lois par évolution comme il l’a décrit au chapitre 10.

Ceux qu’encombrent des présupposés métaphysiques comme quoi le but de la science est de découvrir des vérités intemporelles représentés par des objets mathématiques intemporels pourraient croire qu’éliminer le temps, rendant ainsi l’univers semblable à un objet mathématique, est la voie vers une cosmologie scientifique. Mais il s’avère que c’est tout l’opposé. Comme l’a compris il y a plus d’un siècle, les lois doivent évoluer pour être explicables.

19. le futur du temps

Ce chapitre de conclusion commence par un résumé des chapitres précédents puis s’attaque au “dilemme des méta-lois” : si les lois physiques sont évolutives, alors qu’est-ce qui gouverne leur évolution ? Soit c’est une autre loi, donc une “méta-loi” puisqu’elle agit sur les lois, soit il n’y en a pas et les lois évoluent au hasard. Mais alors le principe de raison suffisante est “vérolé aux fondations même de la science”, pour reprendre les termes de Smolin.

Pour Smolin, la résolution de ce dilemme sera la clef des avancées de la cosmologie et de la physique théorique ce siècle. Pour lui, tant que les mathématiques ne parviendront pas à exprimer clairement ce qui distingue l’instant présent par rapport à t-1 et t+1, elles devront se mettre au service de la physique au lieu de pse prétendre discipline Reine. Ensuite:

La récompense que nous obtenons pour avoir sacrifié une reine est une vision plus démocratique du mobilier des théories physiques. (…) Il n’est plus possible de voir des lois absolues et intemporelles dicter l’évolution de la configuraiton ancrée dans le temps du monde. Si tout ce qui est réel est réel à un instant, alors la distinction entre lois et états doit être relative, ce qui survient et peut être distingué à une époque relativement froide et calme comme la notre. Mais dans d’autres ères plus violentes (NdG : comme les Big-Bangs successifs), la distinction doit se dissoudre en une description du monde totalement nouvelle, totalement dynamique, qui est rationnelle et répond au principe de raison suffisante.

Le livre s’achève par un long épilogue intitulé “Penser dans le temps” illustrant le fait que tous nos actes, notre pensée, notre civilisation sont fondamentalement basés sur l’écoulement irréversible du temps. Le réchauffement climatique et quelques effets économiques sont analysés sous ccet angle, mais j’ai survolé ce chapitre, le trouvant un peu hors-sujet.

Critique

Je me suis fait piéger en voulant parler de ce bouquin. J’avais envisagé de faire juste une critique du genre “Dans ce livre Smolin propose une nouvelle théorie de la physique extrêmement originale. Si vous vous intéressez à la cosmologie et avez de solides bases en physique, ce livre vous passionnera, mais il ne s’adresse définitivement pas au grand public.” Mais il fallait en dire un peu plus pour la du Café des Sciences, et comme je n’ai pas réussi à le résumer en un seul article c’est devenu un serpent de mer qui m’a bloqué de semaines, puis des mois car je ne voulais pas intercaler d’autre article entre les deux parties comme je le fais trop souvent, car ensuite je ne termine pas la série…

Maintenant que c’est fait, je dirais que ce livre est phénoménalement intéressant, et très ardu. Mais il ne se lit pas en quelques jours. Ni même en quelques semaines. Il faut vraiment s’accrocher. J’ai du relire certains passages plusieurs fois, y réfléchir des heures avant d’attaquer la suite, et je ne suis pas sur d’avoir tout compris. En fait je suis même sur de n’avoir pas compris grand chose (mais y’a-t-il quelque chose à comprendre?) . Je pourrais incriminer une traduction assez moyenne, ou simplement la densité de la prose de Smolin, mais en définitive c’est juste le défi lancé par Smolin qui est très ardu : vulgariser des concepts avancés de la cosmologie théorique, ce n’est définitivement pas facile. Et de ce point de vue j’ai lu pire, mais pas mieux depuis longtemps, donc c’est un bouquin important si vous vous intéressez au sujet.

L’objectif de terminer cet article en 2015 étant atteint, je vous donne rendez-vous pour un redémarrage de ce blog en 2016. A demain !

Note* : j’ai écrit à Smolin pour lui demander comment sa théorie traitait les phénomènes quantiques cryogéniques comme l’hélium superfluide et les qui n’ont dans l’univers.

Références

Lee Smolin (2014). La Renaissance du Temps: pour en finir avec la crise de la physique. Dunod.
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Tomasz Konopka, Fotini Markopoulou, Lee Smolin “Quantum Graphity”, 2006, arXiv:hep-th/0611197

La Renaissance du Temps 1/2

Wed, 28 Jan 2015 00:00:00 +0000

A l’occasion de la du C@fé des Sciences, voici un compte rendu du livre “grand public” de , physicien théoricien passionné par ce sujet. Je n’ai pas réussi à résumer en un seul article ce livre de 300 pages extrêmement denses en informations et idées étonnantes.

Donc voici ce que j’ai retenu de la première partie du livre intitulée “Le poids : la mort du temps”, dans laquelle Smolin décrit comment le temps a progressivement quasiment disparu de la physique au point que de nombreux scientifiques le considèrent comme une illusion ou une .

Un second article couvrira très bientôt la seconde partie “Lumière : la renaissance du temps” dans laquelle Smolin plaide en faveur de la réalité du temps et présente sa propre conception du temps, dont les implications sont stupéfiantes.

1, 2, 3 : La mort du temps

Le premier chapitre propose la comme prétexte à une réflexion philosophique sur l’existence du monde des mathématiques, atemporel, dans lequel existeraient les équations décrivant notre univers sensible. Pour Smolin, cette approche est du même ordre que le mysticisme religieux. Il défend une approche :

C’est un bien plus grand défi que d’accepter la discipline de devoir expliquer l’univers que nous percevons et dont nous faisons l’expérience uniquement en termes de lui-même, d’expliquer le réel seulement par le réel.

Après un rappel historique des progrès de l’astronomie jusqu’à Newton et sa unifiant le mouvement des astres et la chute des corps sur Terre, Smolin consacre un chapitre entier à la représentation du temps en physique, et notamment aux graphiques représentant le temps sur un axe et la position sur un autre:

C’est une complète invention humaine, seulement une autre représentation de l’enregistrement du processus (…) Si nous confondons l’espace-temps avec la réalité, nous commettons une faute que nous pourrions appeler l’erreur de la spatialisation du temps (…). Ici dans le monde réel il y a toujours un instant, un moment présent. Aucun objet mathématique ne peut avoir cette particularité car une fois construits, les objets mathématiques sont intemporels.

4. faire de la physique dans une boîte

Le chapitre 4 est l’un de ceux qui m’a le plus fait réfléchir. Smolin relève que l’approche scientifique a conduit à “faire de la physique dans une boîte” : on considère un petit sous- du reste de l’univers dans lequel on néglige certains effets pour ne s’intéresser qu’à certaines variables qui définissent un , atemporel. De plus, en général on considère l’horloge comme extérieure au sous-système : l’évolution du système est mesurée en référence à une horloge extérieure, et rien de ce qui se produit dans le système n’est supposé influer sur l’horloge. Smolin insiste sur la puissance pratique de cette approche newtonienne de la physique pour décrire et prédire ce qui se passe à notre échelle. Mais en l’appliquant à l’Univers dans sa globalité, on commet l’erreur de penser que l’Univers évolue par rapport à une horloge absolue qui lui est extérieure, et une autre plus grave car plus insidieuse, de croire que les lois de la physique sont elles aussi extérieures au système et indépendantes du temps.

5. éradication de la surprise et de la nouveauté

Le chapitre suivant traite de l’ “éradication de la surprise et de la nouveauté” qui découlerait d’un univers totalement . De plus, les lois fondamentales de la physique étant réversibles dans le temps en vertu de la (dont je cause dans ) , la distinction entre passé et futur disparaît des équations mathématiques et apporte encore un argument aux physiciens qui éradiquent le temps de leur conception de la nature", pour reprendre les mots de Smolin

6. relativité et intemporalité

Animation relativiste trouvée sur la Wikipédia montrant les plans de simultanéité suivant la vitesse relative de référentiels divers par rapport à un référentiel où les événements A, B et C sont simultanés.

Le chapitre 6 intitulé “relativité et intemporalité” traite de la conception du temps qui résulte des théories de la relativité (restreinte et générale) d’Einstein et dont j’ai déjà causé dans plusieurs articles : le temps est une qui pour former l’ des “éternalistes”. Pour Smolin, pourtant plein d’admiration pour Einstein et ses travaux notamment son qui traite de la chute libre, et même si la parvient à mettre le temps “dans” l’Univers, cette conception du temps n’est pas satisfaisante. D’une part il y a les problèmes posés par les singularités comme les trous noirs et le Big Bang, mais surtout l’ est toujours une loi intemporelle, extérieure à l’univers, et qui ne répond toujours pas à la question de savoir pourquoi je ressens une certaine configuration de l’Univers comme “présente”, et ce qui distingue le futur du passé.

7. cosmologie quantique

Le chapitre 7 “ et fin du temps” traite de la vision du temps apportée par l’autre grande branche de la physique théorique, la dans laquelle le temps disparaît complètement et débouche sur le :

Le cosmos quantique n’évolue pas ni ne change, il n’est pas en expansion ni en contraction, il EST, tout simplement.

Pour Smolin, la mécanique quantique est l’illustration parfaite de la “physique dans une boite” : elle marche très bien pour un atome tellement isolé qu’on n’a même pas le droit de l’observer, et l’ , elle aussi extérieure à la boîte, décrit comment l’ de l’atome évolue en fonction d’une horloge elle aussi extérieure à la boite. Pour supprimer cette horloge, la cosmologie quantique de Wheeler & DeWitt énonce que la l’énergie totale de l’Univers doit être nulle, donc qu’il existe de l’ , entre autres sous forme d’énergie potentielle de gravitation, qui contrebalance exactement l’énergie “positive” et la matière qui lui correspond.

Smolin est pour le moins critique avec cette approche et défend plutôt la qu’il a contribué à développer, avec entre autres. Si j’ai bien compris cette page (89) assez dense, la gravitation quantique à boucles déboucherait sur l’idée que le temps puisse “émerger” à notre échelle alors qu’il n’aurait pas de signification à l’échelle des particules, la notion de . Smolin mentionne aussi d’autres conceptions du temps censées être compatibles avec la cosmologie quantique, notamment celle de , sur la nature du temps en 2009 (et dont le site s’appelle )

Pour Barbour, tout les instants possibles de l’Univers correspondant à tous ses états quantiques possibles “existent” dans un phénoménalement grand “entassement d’instants”. De plus les instants/états sont dupliqués à de très nombreux exemplaires en fonction de leur probabilité d’occurrence. Selon Barbour l’Univers passe d’un instant à l’autre en permanence au hasard, sans causalité, mais avec une “préférence” statistique pour le passage d’un “petit” état défini par peu d’information à un état “grand”, ce qui définirait la . Smolin termine ce chapitre par une citation ( ) d’Einstein, tirée de la lettre de condoléances qu’il envoya à l’épouse de son ami Luc Besso:

Il a pris congé de ce monde étrange avec un peu d’avance sur moi. Cela ne veut rien dire. Les gens comme nous, qui croyons à la physique, savons que la distinction entre passé, présent et futur est seulement une illusion d’une persistance entêtée.

La première partie du livre se termine en réalité ici, mais je trouve que les deux chapitres suivants auraient pu y être rattachés car ils ne concernent pas encore la conception du temps de Smolin

8. l’erreur cosmologique

Au chapitre 8, il revient sur ce qu’il appelle l’“erreur cosmologique” : appliquer à l’Univers entier des lois établies et vérifiées sur des sous-systèmes. Il fait remarquer en particulier que les lois se vérifient sur beaucoup de sous-systèmes, alors que nous n’avons qu’un seul Univers sous la main. Comment vérifier la validité d’une loi sur un un seul “cas d’application” ? Et pourquoi cette loi et pas une autre ? De plus, beaucoup de théories cosmologiques ( , …) admettent en réalité une infinité de solutions, parmi lesquelles une seule correspond à notre univers. Doit-on se résoudre à admettre l’existence d’une infinité d’Univers inaccessibles pour pouvoir justifier le notre par un ?

9. le défi cosmologique

Smolin relève ensuite que toutes les théories physiques divisent le monde en deux parties, une “dynamique” qui change , et une statique qui contient un “fond” de choses immuables, comme les constantes fondamentales par exemple. Au chapitre 9, il présente le “défi cosmologique” consistant à formuler une théorie de l’univers “indépendante du fond”, purement dynamique afin de ne rien supposer d’extérieur à l’Univers.

Lorsqu’on fait de la “physique dans une boite”, le “fond” comprend notamment les , et la méthode expérimentale permet de contrôler les conditions initiales afin de s’assurer que les lois sont indépendantes de ces conditions. En cosmologie, cette distinction entre “lois” et “conditions initiales” aggrave le problème qu’elle résout “dans une boite” : si nos observations du ne correspondent pas bien à la théorie de , faut-il corriger la loi ou les conditions initiales ? Smolin critique aussi les qui décrivent bien ce qui se passe à une certaine échelle de grandeur, mais en négligeant l’influence de ce qui est beaucoup plus grand ou plus petit. Pour Smolin, la théorie issue du défi cosmologique doit tenir compte de tout, sans rien négliger.

10. nouveaux principes de cosmologie

Le chapitre 10 liste les “nouveaux principes de cosmologie” que devrait satisfaire une nouvelle théorie cosmologique:

Elle devrait contenir ce que nous savons déjà sur la nature. Le , la et la doivent “émerger en tant qu’approximations” de cette nouvelle théorie.
Elle devrait être scientifique, c’est à dire produire des prédictions testables pour des expériences réalistes ( !)
Elle devrait répondre à la question “Pourquoi ces lois ?”
Elle devrait résoudre le problème des conditions initiales
Elle ne devrait contenir ni symétries ni . Là je sens bondir ! L’argument de Smolin est basé sur le qu’il considère extrêmement important, et sur l’idée que les symétries ne sont valables que “dans une boite”, et parfois . Donc il ne dit pas que les symétries ou les lois de conservation sont fausses, mais plutôt qu’elles devraient résulter de la théorie (selon le point 1) au lieu d’en être le fondement comme dans les théories basées sur la par exemple.
Elle devrait être et au plan explicatif : rien hors de l’Univers ne devrait être requis pour expliquer quoi que ce soit à l’intérieur de l’Univers
Elle devrait satisfaire le , le , ainsi que le . Ces principes “philosophiques” m’ont semblé les plus contestables, et je n’ai pas vraiment compris pourquoi Smolin les introduit si ce n’est pour favoriser sa propre théorie…
Ses variables physiques ne devraient décrire que des relations évolutives entre des entités dynamique. Elle devrait être purement dynamique, indépendante du fond, ce qui implique que les lois de la nature évoluent, impliquant que le temps est réel.

Dans ce dernier point, Smolin n’arrive plus à s’empêcher de mentionner sa solution en même temps que le problème. Nous verrons dans la deuxième partie que l’idée de lois physiques qui évoluent n’est qu’une des nombreuses hypothèses étonnantes de Smolin, mais aussi qu’il propose des méthodes expérimentales de les vérifier.

Ca fait envie ? Patientez quelques jours pour , lisez d’autres compte-rendus , ou achetez le livre !

Références

Lee Smolin (2014). La Renaissance du Temps: pour en finir avec la crise de la physique. Dunod.
Bernard Dugué “ ”, 2013, sur Agoravox
Jean-Paul Baquiast, “ ”, 2013, Revue Automates Intelligents No 136

Générateur de brouillard

Sun, 11 Jan 2015 00:00:00 +0000

La veille du massacre de Charlie Hebdo, j’ai assisté à la démonstration d’un système de sécurité assez étonnant : un générateur de brouillard. En une dizaine de secondes il remplit une salle d’un brouillard tellement épais qu’il est impossible d’y voir à plus de 20 cm, la lumière tellement diffusée qu’on n’arrive plus à se repérer.

Après 20 à 30 secondes, il est devenu impossible de faire quoi que ce soit dans une grande maison, et ce pour une bonne demi-heure même en ouvrant toutes portes et fenêtres. Il faut même prévenir les pompiers avant le test pour éviter les fausses alertes déclenchées par les appels des voisins inquiétés par la fumée !

Plutôt qu’un chimique ou de la produisant des gaz et fumées plus ou moins nocifs, il s’agit en fait d’une qui produit un brouillard de gouttelettes d’eau additionnée de .

En sur ces machines, je n’ai pas réussi à savoir pourquoi les glycols (ou la glycérine) produisent un tel brouillard comme on le . Mais le principe de la machine est le suivant : un corps de chauffe assez massif est maintenu à environ 300°C (il faut ~15 minutes pour préchauffer la machine), et au moment du déclenchement de l’alarme une pompe envoie quelques millilitres par seconde d’eau+glycol dans le corps de chauffe d’où elle ressort sous forme de vapeur sous pression.

En se détendant dans un échangeur de chaleur, la vapeur condense en très fine gouttelettes propulsées dans la pièce par un ventilateur, et la est partiellement récupérée pour maintenir le corps de chauffe en température plus longtemps. Le brouillard produit est à température ambiante et a une densité proche de celle de l’air, contrairement à celui, froid, produit par les machines à neige carbonique, qui “coule” sur les scènes de spectacles notamment.

Ce système aujourd’hui assez fréquent dans les banques et bijouteries commence à s’intégrer aux systèmes d’alarmes des particuliers. Je suis persuadé qu’il aurait sauvé plusieurs vies chez Charlie Hebdo.

Pour la Science de Décembre

Sun, 07 Dec 2014 00:00:00 +0000

D’habitude je déguste mon numéro de “Pour la Science” petit à petit pendant le mois. Mais là j’ai dévoré le en quelques heures de voyage en train : il est plein d’articles passionnants sur des sujets très variés.

Dans “ ”, Niayesh Afshordi, Robert Mann et Razieh Pourhasan de l’ proposent une idée assez stupéfiante : notre univers à 3 dimensions serait issu de l’effondrement d’une étoile à 4 dimensions en trou noir… Selon eux, mathématiquement du moins, l’horizon des événements d’un trou noir à 4 dimensions correspond notre univers à 3 dimensions, ce qui permet d’éliminer la “singularité” des trous noirs et du Big Bang en même temps, et de ne plus avoir besoin de postuler une . Je ne sais pas vraiment quoi penser de cette théorie qui me sembler qu’elle n’en résout, mais comme je suis en train de lire Lee Smolin (2014). La Renaissance du Temps: pour en finir avec la crise de la physique. Dunod. qui la pousse encore plus loin, j’en reparlerai plus tard.

L’article “ ” m’a littéralement scotché. Kim Ta Phuoc, Cédric Thaury (tous deux du ) et Sébastien Corde y expliquent comment faire un de quelques mètres de long, et à la différence de l’article précédent, l’expérience a été faite, et ça marche ! Le principe est l’ : un laser produisant des impulsions extrêmement puissantes mais tout aussi extrêmement brèves. En traversant un , l’impulsion crée des ondes de densité dans le champ électrique un peu comme un bateau crée des vagues de sillage, et sur ces vagues, les électrons du plasma se mettent à “surfer”, accélérant à plusieurs centaines de MeV en quelques millimètres seulement au lieu des kilomètres requis avec un accélérateur “classique”.

Le champ électrique qui se forme dans un gaz atomique derrière une impulsion laser ultrabrève est montré ici sous la forme de vagues bleues que descendent des paquets d’électrons en voie d’accélération. C’est le principe des accélérateurs laser-plasma. (illustration Pour La Science)

Par un mécanisme que je n’ai pas bien compris, tous les électrons accélèrent en fait en zigzaguant à la même fréquence, et à chaque virage émettent chacun un photon à haute énergie. On obtient ainsi des impulsions de voire d’une très bonne qualité, et dont la brièveté est un avantage dans beaucoup d’applications. Outre la radiothérapie, on devrait arriver bientôt à faire de la sur des molécules organiques délicates, voire “in vivo”. Et quand les physiciens se mettent imaginer comment filmer des molécules dont les liaisons chimiques seraient brisées une à une, je deviens juste impatient de voir ça !

“ ” est un peu la réponse du berger à la berger : “mon est plus puissant que ton laser-plasma”, expliquent Nora Berrah et Philip Bucksbaum. Ils décrivent comment un projet militaire de “guerre des étoiles” démarré sous Reagan a (tout de même…) résulté en quelque chose d’utile sous la forme du LCLS qui a été ajouté à l’accélérateur linéaire de Stanford pour devenir la plus intense source de rayons X artificiels. Une des applications les plus sidérantes de l’engin est la production d’ “atome creux”. C’est un phénomène incroyable : les sont transparentes aux rayons X, sauf la couche K, la plus interne. En exposant un atome à un flux de rayons X, les deux électrons de cette couche se font “souffler” hors de l’atome, qui devient “creux”. Deux électrons de la couche L juste supérieure vont tomber à la couche K, créant un vide de deux électrons rempli par 2 électrons de la couche M etc. Mais si le rayonnement X est suffisamment intense, la couche K se fait “souffler” au fur et à mesure, et l’atome perd tous ses électrons “par l’intérieur”. Ca s’appelle la “relaxation Auger”, ça ne dure que quelques secondes, et là encore les physiciens pensent arriver à “filmer” le phénomène à l’aide d’impulsions X ultra brèves.

“ , le jeu se poursuit” est un hommage au génial auteur de qui aurait eu 100 ans cette année. Sa rubrique était l’une des raisons pour lesquelles je piquais les “Pour la Science” de mon père jusqu’en 1981. il m’a fait découvrir le et le entre autres choses qui m’intéressent . L’article montre aussi comment cet autodidacte a saisi l’opportunité d’un article (sur les ) pour consacrer sa vie à sa passion en développant une correspondance épistolaire fertile en articles passionnants avec des gens aussi variés que Dali etc… Je suis très heureux d’ que cette ouverture se perpétue jusqu’à Jean-Paul Delahaye qui tient la rubrique actuellement.

Jean-Paul se demande ce mois-ci sil existe “ ” La d’Howard Gardner se heurte à la vision des informaticiens d’une seule intelligence, testable par le , voire quantifiable par des taux de compression des données comme l’a proposé . Dans cette optique, propose une mesure mathématique universelle d’intelligence : “la réussite moyenne d’une stratégie dans l’ensemble des environnements envisageables.” (voir ). Séduisant, mais pas facile à mesurer en pratique. En attendant une meilleure idée, Hutter propose un à partager entre les auteurs de programmes capables de comprimer le contenu de la Wikipédia le mieux possible. Il explique est que pour bien comprimer (=résumer) des données, il faut les comprendre. Je vais évidemment m’attaquer à ce challenge, je vous en recauserai en 201x …

Intelligence toujours dans “ ” où Anna Smet, Catherine Hobaiter et Richard Byrne font le point sur les capacités cognitives des pachydermes. Il s’avèrent qu’ils sont capables de distinguer les ethnies des humains d’après l’habillement, de reconnaître plus d’une centaine de congénères d’après les infrasons qu’ils produisent, et il semblerait bien que ce soit les seuls animaux qui aient certains égards pour les squelettes de leurs ancêtres. Un article émouvant et qui pousse évidemment à la réflexion sur nos intelligences naturelles et artificielles.

Pour terminer sur une note ludique, nos signent un article sur les “ ” type Beyblade qui enchantent nos bambins. (c’est encore la mode cette année ?) Les caractéristiques des toupies leurs confèrent des avantages et inconvénients à bien balancer par rapport aux toupies adverses lors d’un combat. Me suis demandé si des ne rendraient pas le jeu encore plus “intéressant”…

Bref, que des bonnes choses dans ce numéro. Foncez chez votre marchand de journaux !

La tête dans les étoiles

Tue, 18 Nov 2014 00:00:00 +0000

Comment ça, deux mois sans article ? Je pourrais raconter que j’habite trop près d’un trou noir, comme dans “Interstellar”, dont je causerai très bientôt, mais en réalité je suis occupé par plusieurs sujets qui provoqueront des articles un jour peut-être, et surtout un qui provoque l’article d’aujourd’hui:

Le MOOC “Introduction à l’Astrophysique” de l’EPFL

Je voulais depuis longtemps suivre un , pour voir à quoi ça ressemble. Voyant que le propose le premier , je me suis immédiatement inscrit et je le suis assidûment depuis deux mois en y consacrant une bonne soirée par semaine.

Ce qui m’a surpris temporairement, c’est que le cours ne suit pas le plan des livres d’astronomie de ma jeunesse qui partaient du Soleil et s’en éloignait en décrivant d’abord les planètes, puis les autres étoiles, les nébuleuses, les galaxies etc. Mais comme l’indique très bien le descriptif “Le cours met l’accent sur le lien entre les prédictions théoriques et les observations”,

Voici la table des matières du cours, semaine par semaine, avec mes petites remarques personnelles

Après un bref aperçu, présente les et le que j’ignorais totalement ou avais oublié, et qui permet notamment de lier la taille d’un à la vitesse des étoiles qui le forment et réciproquement
La deuxième semaine est consacrée au processus de , au et aux ainsi qu’aux magnitudes et . Là, pour simplifier et vérifier mes calculs pour les exercices, j’ai découvert et commencer à utiliser le module Python , qui définit de nombreuses constantes et unités bien utiles. Il permet notamment de convertir des unités du comme l’ “que les astrophysiciens continuent d’utiliser, à mon grand dam.
On aborde ensuite l’ et les et , avant de passer aux . Légère déception à ce niveau, j’espérais qu’on aborde le phénomène de ralentissement de la rotation et d’échauffement des astres soumis aux marées, mais j’imagine que ça doit être compliqué…
Suit logiquement la , puis le cours parle des avant d’aborder le bilan énergétique des planètes, et en particulier l’effet de leur atmosphère. Là j’ai eu le plaisir de voir esquissé le “ ”, et la demi surprise de voir que la température de corps noir de la Terre, Vénus et Mars sont beaucoup plus proches que leurs températures au sol. A ce sujet et au passage, ce beau montage des surfaces de tous* les astres sur lesquels des engins humains se sont posés en douceur:
La cinquième semaine est consacrée aux étoiles, leur formation, leur classification et leur distribution dans le illustré de magnifique manière par cette video
\[embed\]

la formation des étoiles est illustrée dans le , puis les réactions nucléaires des différents types d’étoiles ainsi que les morts correspondantes sont décrites. J’ai particulièrement apprécié la méthode de datation d’un amas d’étoile via le “coude” apparaissant dans la distribution des étoiles de la
La sixième semaine est consacrée aux galaxies. Ca commence par leur classification (avec un peu de pub pour dans un exercice), leur formation et leur évolution, le tout illustré par de faites par Yves Revaz à l’aide de , un package Python que je vais me dépêcher d’explorer dès que les journées auront 36 heures (il y a de l’espoir : les marées freinent la rotation de la Terre …). Ensuite le cours aborde le mouvement des étoiles dans les galaxies via les , et se termine par un exposé sur la
(ajouté le 24.11.14) La dernière semaine est consacrée à une introduction à la cosmologie : âge de l’univers, galaxies primordiales, , , échelles des grandes distances et moyens de mesure ( , ) et le cours se termine avec l’étude des

Je suis très content d’avoir suivi ce cours, je le recommande vivement aux passionnés de l’espace qui ont (encore) de bonnes notions de maths et de physique. Outre la matière enseignée, l’intérêt du cours réside pour moi dans les liens qui sont établis entre divers domaines de la physique : en jonglant avec la mécanique classique, la thermodynamique et un soupçon de mécanique quantique, on développe une vision cohérente, multidisciplinaire de connaissances qui peuvent paraître disparates lorsqu’on les rencontre la première fois en cours. A mon goût il ne manque qu’un soupçon de relativité assaisonné de trous noirs et d’étoiles à neutrons pour que ce cours soit parfait, mais peut-être sera-ce le sujet d’un cours suivant.

Sinon, la utilisée pour les MOOC de l’ est performante et agréable. On peut passer les vidéos en accéléré ou ralenti, commuter entre la vidéo et la page des exercices à volonté, et une zone de discussion permet de poser des questions ou de râler comme dans une vraie salle d’exercices, en plus calme.

Si mon rythme de publication reste bas, ce sera surement à cause d’un autre MOOC.

Note* : En fait il existe un 8ème objet : a été crashée sur en 2001 alors que ce n’était pas prévu initialement, et la sonde a survécu et transmis quelques images avant sa mort.

Pour la Science de Juillet

Sun, 20 Jul 2014 00:00:00 +0000

L’été, il arrive que je lise Pour la Science un peu distraitement, lunettes de soleil sur le nez et bière à la main. Mais cette année c’est différent : le est passionnant du début à la fin.

L’intelligence des céphalopodes

Ludovic Dickel et Anne-Sophie Darmaillacq montrent que “l ” est remarquable. Le cerveau du poulpe ou de la seiche contient 500 millions de neurones, nettement plus que celui d’une souris, ce qui leur permet des comportements d’imitation, de tromperie, de curiosité pour des objets nouveaux, voire de jeu.

Le passage que j’ai trouvé le plus surprenant concerne le système de utilisé par ces animaux pour modifier leur apparence de manière spectaculaire. Leur capacité à adopter la couleur de leur environnement pour se camoufler est bien connue. Mais ils peuvent aussi devenir d’un blanc éclatant en un éclair, et même aussi polariser la lumière à volonté! Ni nous ni la plupart des animaux ne perçoivent la polarisation, mais les céphalopodes oui. En clair, les poulpes peuvent transmettre des messages optiques à d’autres poulpes sans compromettre leur camouflage !

La réionisation

Dans “ ”, j’ai appris ce qu’est la . Pourtant j’aurais du le savoir depuis “ ” : 380'000 ans après le Big Bang, la température de l’Univers avait suffisamment baissé pour que les électrons se aux noyaux d’hydrogène et d’hélium, formant des atomes “neutres”. Mais aujourd’hui, le indique que l’hydrogène disséminé dans l’espace intergalactique proche est ionisé.

Une source d’énergie a donc réionisé l’espace “assez vite”, grosso-modo pendant le premier milliard d’années de l’Univers. Selon Michael Lemonick, c’est l’oeuvre du rayonnement ultraviolet des premières étoiles, 100 fois plus massives que notre Soleil et composées exclusivement d’hydrogène. Mais ce pourrait aussi être l’activité des premiers trous noirs supermassifs, les . La prochaine génération de télescopes et de systèmes de détection des est attendue avec impatience pour mieux comprendre ce qui s’est passé à la fin de l’âge sombre de l’Univers.

L’effet Google

Ensuite, Daniel Wegner et Adrian Ward se demandent si notre mémoire, notre rapport aux autres et notre propre perception de nous-mêmes sont modifiées par “ ”, avec un point d’interrogation. Ils commencent par remarquer que la mémoire était répartie entre les humains pour être conservée de façon plus fiable et efficace. Ceci est profondément modifié depuis qu’internet permet de retrouver quasiment toute la mémoire de l’humanité plus rapidement qu’en posant une question à son voisin. Avec d’astucieuses expériences de psychologie, ils montrent que nos facultés de mémorisation sont amoindries lorsqu’on sait que les informations sont sauvegardées dans un ordinateur, et qu’on s’auto-évalue comme plus intelligent lorsqu’on a accès à internet pour répondre à un questionnaire de culture générale.

Ramanujan et les partitions

était un génie des maths autodidacte qui a étonné le monde au début du XXème siècle. C’est lui qui est à de , mais il est surtout connu pour de multiples formules du genre:

\[mathjax\]

$$1+\frac{1}{1\cdot 3} + \frac{1}{1\cdot 3\cdot 5} + \frac{1}{1\cdot 3\cdot 5\cdot 7} + \frac{1}{1\cdot 3\cdot 5\cdot 7\cdot 9} + \cdots + {{1\over 1 + {1\over 1 + {2\over 1 + {3\over 1 + {4\over 1 + {5\over 1 + \cdots }}}}}}} = \sqrt{\frac{{\rm e}\pi}2}.$$

données sans démonstration, du genre “mais voyons c’est évident”, et que les matheux ont mis quelques décennies à démontrer après le décès de Ramanujan en 1920, à 32 ans seulement.

Dans “ ”, Ariel Bleicher raconte comment les travaux de Ramanujan de 1919 sur les ont débouché sur des développements récents.

Le “nombre de partitions p(n)” est le nombre de manières d’obtenir n en additionnant des entiers plus petits que n. Par exemple pour n=4 on a 1+1+1+1, 1+1+2, 2+2, 1+3, et on compte 4 lui même, donc p(4)=5.

liste les premiers termes de cette suite (qui commence par p(0)=1, p(1)=1, p(2)=2 …) :

1, 1, 2, 3, 5, 7, 11, 15, 22, 30, 42, 56, 77, 101, 135, 176, 231, 297, 385, 490, 627, 792, 1002, 1255, 1575, 1958, 2436, 3010, 3718, 4565, 5604, 6842, 8349, 10143, 12310, 14883, 17977, 21637, 26015, 31185, 37338, 44583, 53174, 63261, 75175, 89134, 105558, 124754, 147273, 173525, …

Ramanujan avait remarqué que tous les 5 nombres, le nombre de partitions est un multiple de 5 (en gras). Et il a démontré que p(5k-1) est divisibles par 5 quel que soit k entier. Et puis il a remarqué et prouvé que p(7k-2) est divisible par 7 ∀ k (en italiques), et aussi que p(11k-5) est divisible par 11. Ce sont les .

Ramanujan est mort en n’étant pas sur qu’il existe d’autres “modules” que 5,7, et 11. Effectivement, elles sont apparemment rares : jusqu’en 1990, les matheux (et informaticiens) n’ont trouvé que 29, 133, et 236 en plus. Mais Ramanjuan avait fait part d’une une intuition concernant ce qu’il appelait de “fausses fonctions thêta” qui ressembleraient aux utilisées pour étudier ces congruences.

Ce n’est qu’en 2002 que Sander Zwegers a formalisé ces “ ” qui se révèlent des outils puissants, par exemple pour étudier l’entropie des trous noirs ! (ne me demandez pas le rapport, je n’ai rien rien pigé à l’abstract de …) . Plus récemment encore, a démontré l’intuition de Ramanujan, et également qu’il existe une infinité de congruences dans le nombre de partitions.

Y’a-t-il masse et masse ?

Dans “ ", Domenico Giulini décrit les dernières expériences réalisées pour vérifier le selon lequel la masse grave et la masse inerte sont égales.

la masse inerte, c’est le m de la formule F=m.a qui relie l’accélération d’un corps à la force exercée sur lui
la masse grave, c’est les m de la formule F=G.m1.m2/d² qui décrit la force de gravitation entre deux corps séparés par une distance d

En combinant les deux équations, on en arrive à l’idée que tous les corps tombent selon la même accélération, le fameux g=9.81

\[m/s²\]

sur Terre, chose vérifiée depuis que Galilée a lâché deux boules de masse différente du haut de la tour de Pise. Sauf que c’est une légende:

Ce n’est pas Galilée mais qui a fait l’expérience, très loin de Pise. Galilée a fait l’expérience en faisant rouler les boules sur un plan incliné
Ca ne suffit pas à convaincre les physiciens. Encore aujourd’hui on se demande si m est vraiment égal à m, même si les mesures ont montré qu’un éventuel écart est inférieur à 10-12

Il faut dire que si les masses inerte et grave d’un corps ne sont pas égales, ça serait grave (sic) : la loi de la gravitation serait fausse, y compris la relativité générale qui est son interprétation actuelle, et c’est peut-être pour ça qu’on arrive pas à la relier à la mécanique quantique. C’est pourquoi les expériences récentes tentent de mesurer la gravitation (qui est l’ la plus faible, et de loin) au niveau atomique, mais ce n’est pas simple.

Par exemple, l’équipe de est parvenue à mesurer la chute d’un seul atome en 1999, mais l’équipe de (co-lauréat du Nobel 1997 avec Chu) n’est apparemment pas d’accord sur l’interprétation de cette expérience qui mesure le de la fréquence de Compton de l’atome…

Energies renouvelables

Sinon j’ai été déçu par l’article “ ” de Vaclav Smil, car je n’y ai rien appris, ça correspond à 90% à mon point de vue, et d’ailleurs l’article est lui aussi un point de vue, fondé sur la réalité historique plutôt que sur les sirènes qui nous chantent un Grand Soir Vert… Les 10% de différence concernent d’ailleurs la solution entrevue par Smil : réduire la consommation d’énergie d’un tiers. Pourquoi pas … Mais si la population ne veut pas la réduire, mais continuer de l’augmenter comme elle l’a fait depuis plus de 10'000 ans ? Faudra-t-il un Grand Timonier pour envoyer au goulag (nettoyer des panneaux solaires…) ceux qui pensent qu’on devrait plutôt continuer la transition énergétique en cours avec du thorium plutôt que de l’uranium ?

Avec un numéro si bien rempli, je n’ai pas encore eu le temps de lire l’article de mon sur ni la rubrique “Logique & Calcul” de Jean-Paul Delahaye sur les jeux de cartes et les suites de de Brujin (rencontrées ), mais comme le numéro d’août est déjà chez les abonnés, je ne peux que me dépêcher de vous dire de foncer chez votre marchand acheter cet excellent numéro de juillet.

Le point sur les ondes gravitationnelles

Sat, 22 Mar 2014 00:00:00 +0000

La grosse nouvelle scientifique de la semaine, du mois ou même de l’année a été annoncée par des titres comme “Big Bang : les ondes gravitationnelles d’Einstein enfin détectées” ou “Des physiciens découvrent des preuves du Big Bang”. La découverte est fantastique, mais ces titres sont trompeurs:

On avait déjà des preuves du Big Bang d’une part, et de l’existence des ondes gravitationnelles d’autre part.
L’observatoire n’a pas détecté directement des ondes gravitationnelles, mais un de leurs effets
Il manque un mot clé dans ces titres : “inflation”. Ce que les récents résultats confirment semblent confirmer*, c’est la théorie de l’ .

“Découverte des Premières Ondes Gravitationnelles de l’Univers et Confirmation de l’Inflation” est un bon titre, et c’est celui d’un d’un autre c@fetier des sciences sur les résultats récents de l’expérience BICEP2 . Il y en a d’autres

\[3,4,\*\]

. Ici je vais juste essayer de faire le point sur les .

Avec la Albert Einstein explique la gravité par un déformé par les masses. Lorsque des masses sont accélérées, les déformations du champ se propagent, en principe à la vitesse de la lumière, un peu comme l’accélération de charges électriques produit des ondes électromagnétiques. (update du 15.02.2016 : cette )

Comme la gravitation est l’ de très loin la plus faible, cent milliards de milliards de milliards de milliards de fois plus faible que l’électromagnétisme, il faut des masses énormes soumises à des accélérations fantastiques pour que les ondes gravitationnelles émises aient une puissance suffisante pour provoquer un effet mesurable, et des instruments de mesure incroyablement sensibles pour les détecter.

Les premières tentatives de détection directe datent de la fin des années 1960 avec la . L’idée est d’isoler une grosse barre de métal de toute vibration extérieure et de détecter une subite résonance de la barre au passage d’une onde gravitationnelle. L’amplitude des vibrations attendues étant d’environ 10-16 m si une supernova avait la bonne idée d’exploser pas trop loin, aucune des expériences basées sur ce principe (ALLEGRO, AURIGA, miniGRAIL, ou encore EXPLORER ) n’a fourni de résultat concluant.

Pas mieux pour l’instant pour l’ , , et les autres détecteurs géants basés sur l’interférométrie. L’idée est de comparer les distances parcourues par deux faisceaux lasers sur plusieurs kilomètres dans des directions distinctes. Quand une onde gravitationnelle passe par là, elle modifie la distance parcourue par l’un des lasers d’un pouillème de nanomètre par rapport à l’autre.

LIGO, c’est grand : chaque bras fait 4 km de long, et il y a un autre interféromètre à 3000 km de là pour trianguler la source…

Ne reste plus alors qu’à isoler cette mesure des variations thermiques, des ondes sismiques, de celles produites par les collaborateurs et les scarabées du désert qui crapahutent à côté du détecteur… Comme on n’y est pas parvenu, l’idée est désormais de faire tout ça dans l’espace avec le . Lancement prévu en 2020.

Pourtant, bien qu’on n’en ait jamais détecté directement, on sait que les ondes gravitationnelles existent depuis 1974. Cette année là, les astronomes Hulse et Taylor découvrent , un “pulsar binaire”. C’est encore un de ces objets astronomiques qui nous ramènent à notre juste dimension : pas grand chose. Il s’agit de deux étoiles à neutrons de 1.4 masses solaires environ chacune qui se tournent autour en à peu près 7h45, à une distance variant entre 1 et 5 fois le rayon du Soleil, donc astronomiquement très très très proches.

D’après Einstein, un tel système devrait émettre des ondes gravitationnelles très puissantes “en spirale” comme dans le dessin ci-contre. Si c’est bien le cas, le signal radio émis par le pulsar avec une régularité extrême doit arriver un peu décalé dans le temps suivant la configuration des ondes gravitationnelles. Hulse et Taylor vérifient : gagné ! En 1993, ils reçoivent le prix Nobel de physique pour la première détection d’ondes gravitationnelles.

accélération de la période de PSR B1913+16 sur 30 ans. Prévision en bleu, mesures en rouge

De plus, selon Albert les ondes gravitationnelles emportent de l’énergie au loin, donc un astre en orbite perd peu à peu de l’énergie et “tombe” en orbitant plus vite, donc en émettant encore plus d’ondes gravitationnelles, ce qui le ralentit encore plus jusqu’à la catastrophe. Et c’est exactement ce que l’on mesure depuis 40 ans sur PSR B1913+16.

Le même phénomène a été mesuré sur et d’‘autres objets astronomiques spectaculaires.

Les résultats récents de BICEP2 constituent également une détection indirecte des ondes gravitationnelles par une voie totalement différente des précédentes. Je n’ai absolument pas compris pourquoi, mais la théorie prédit que les ondes gravitationnelles produites lors de l’ ont du causer une polarisation “ ” du , et c’est cette polarisation qui a été mise en évidence. Re-prix Nobel en perspective.

En attendant des mesures directes qui confirmeront que ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière, voire de détecter enfin le , ces détections indirectes montrent que les ondes gravitationnelles existent, et qu’ Albert a toujours raison un siècle après s’être ennuyé au bureau des brevets de Berne.

Note * et ajout du 24.3.2014 : Science étonnante vient de publier “ ”, article remarquable (comme d’hab) qui détaille la récente découverte et relève quelques bémols. Le niveau est plus élevé que dans ma modeste synthèse, mais si vous vous intéressez à ce sujet, je vous encourage vivement à lire cet excellent article.

Références:

, 2003, CERN-EX-0303017
Eric Simon “ !", 18 mars 2014, ça se passe là haut
Sébastien Bohler, “ ", 18 mars 2014, SciLogs
" ”, 17 mars 2014, Agence Science-Presse

17 équations qui ont changé le monde

Sun, 16 Mar 2014 00:00:00 +0000

Ce livre est l’une des raisons pour lesquelles je n’ai pas encore terminé la suite des “ ”. attaque le sujet dès la première page:

Il existe en mathématiques deux types d’équations, très semblables en apparence. Le premier représente des relations entre diverses quantités mathématiques; la tâche consiste dans ce cas à démontrer que l’équation est vraie. Le second fournit des informations sur une quantité inconnue, et la tâche du mathématicien consiste alors à résoudre l’équation, à rendre connu l’inconnu. (…)

En mathématiques pures, les équations sont généralement du premier type : elles révèlent des schémas et des régularités aussi belles que profondes, Elles tirent leur validité du fait que, considérant nos présupposés fondamentaux à propos de la structure logique des mathématiques, il ne peut en être autrement.

En mathématiques appliquées et en physique mathématique, on trouve habituellement des équations du second type. Elles codifient des informations à propos du monde réel; elles expriment des propriétés de l’univers qui en principe auraient pu être très différentes.

Les 17 équations retenues par Stewart sont autant de chapitres sur des ponts établis entre mathématiques et réalité au cours des siècles:

	titre du chapitre		auteur	date
1	Le carré de l’hippopotame (le théorème de Pythagore)	$a^2+b^2=c^2$	Pythagore	-530
2	Ecourter les procédures (les logarithmes)	$\log xy=\log x+\log y$	John Napier	1610
3	Fantômes de quantités disparues (le calcul infinitésimal)	$\frac{df}{dt}=\lim\limits_{h \to 0}=\frac{f(t+h)-f(t)}{h}$	Newton	1668
4	Le système du monde (la loi de la gravitation de Newton)	$F=G\frac{m_1 m_2}{d^2}$	Newton	1687
5	Prodige du monde des idées (la racine carrée de -1)	$i^2=-1$	Euler	1750
6	Beaucoup de bruit pour des noeuds (la formule d’Euler pour les polyèdres)	$V-E+F=2$	Euler	1751
7	Les motifs du hasard (la distribution normale)	$\Phi(x) = \frac{1}{{\sigma \sqrt {2\pi } }}e^{\frac {( x - \mu)^2 } {2\sigma ^2 }$	C.F. Gauss	1810
8	Bonnes vibrations (l’équation d’onde)	$\frac{\partial ^2 u}{\partial t^2}=c^2\frac{\partial ^2 u}{\partial x^2}$	J. d’Alembert	1746
9	Ondelettes et soubresauts (la transformée de Fourier)	$f(\omega )=\int_{-\infty }^{+\infty }e^{-2\pi ix\omega }dx$	J. Fourier	1822
10	L’ascension de l’humanité (l’équation de Navier-Stokes)	$\rho \left(\frac{\partial v}{\partial t}+v.\nabla v \right) = -\nabla p + \nabla.T+f$	C. Navier, G. Stoker	1845
11	Des vagues dans l’éther (les équations de Maxwell)	$\nabla\cdot E = \rho / \varepsilon_0$ $\nabla\cdot B = 0$ $\nabla\times E = - \partial B/{\partial t}$ $\nabla\times B = \mu_0 \left( J + \varepsilon_0 \partial E / {\partial t}\right) $		1865
12	Loi et désordre (deuxième principe de la thermodynamique)	$dS\geq 0$		1874
13	Une chose est absolue (la relativité)	$E=mc^2$		1905
14	Bizarrerie quantique (l’équation de Schrödinger)	$i\hbar \frac{\partial }{\partial t} \psi=H\psi$		1927
15	Codes communication et ordinateurs (la théorie de l’information)	$H=-\sum p(x)\log p(x)$		1949
16	Le déséquilibre de la nature (la théorie du chaos)	$x_{t+1}=kx_t(1-x_t)$		1975
17	La formule du roi Midas (l’équation Black-Scholes)	$\frac{\sigma ^2}{2}S^2\frac{\partial ^2V}{\partial S^2}+rS\frac{\partial V}{\partial S}+\frac{\partial V}{\partial t}-rV$	F. Black, M. Scholes	1990

Chaque chapitre commence par une page de résumé présentant l’équation sous une forme que j’ai trouvé intéressante. Voici par exemple celle du chapitre 9 sur la transformée de Fourier (mais oui, vous savez, …)

Ensuite trois paragraphes résument “Ce que cela nous dit”, “Pourquoi c’est important” et “A quoi cela nous a conduits”. On le voit, l’ambition est de rendre accessible à tous la signification et l’importance de formules qui en rebutent beaucoup.

Mais disons le tout net : si vous n’avez pas une formation de base en maths ou une réelle curiosité pour ce monde, il est probable que la lecture de chaque chapitre se résume à celle des premières pages dans lesquelles Stewart fait l’historique de la découverte de chaque équation. Ce sont des pages passionnantes, où l’on voit que les mathématiciens de génie sont souvent incompris, bien que fréquemment ils ne fassent que formuler clairement les idées absconses de leurs contemporains.

Ensuite, le niveau de chaque article monte selon des pentes parfois assez raides qui peuvent décourager certains lecteurs. Stewart évite au maximum d’infliger d’autres formules mathématiques que celle servant de titre mais ses explications couvrent souvent plusieurs pages de texte compact pas forcément plus digeste.

En fait, chaque chapitre de ce livre peut être lu indépendamment et constitue un petit cours sur le domaine concerné par l’équation. En établissant des liens entre l’histoire, les maths et les applications technologiques actuelles, les formules prennent un sens plus concret et les chapitres de ce livres aideront certainement les étudiants et passionnés à mieux comprendre la signification et l’importance de ces équations célèbres.

Pour ma part, le chapitre qui m’a le plus plu car j’y ai le plus appris est le quatrième, dévolu à la gravitation newtonienne. J’y ai appris l’existence du utilisée par les sondes spatiales ainsi que par des comme . L’idée est que les peuvent être utilisés comme des aiguillages permettant de passer d’une orbite stable à une autre, très différente, en ne nécessitant que très peu d’énergie (cf sur les puits gravitationnels). Par exemple, entre 1910 et 1980, la comète Oterma a alterné deux fois des orbites situés à l’intérieur de celle de Jupiter avec des orbites extérieures

Trajectoire d’Oterma à droite, orbite périodique correspondante à gauche

Pourquoi 17 équations, et pas plus ou moins ? Après 410 pages on ne se pose plus trop la question : éventuellement moins, mais pas plus. Le chapitre 1 sur Pythagore est “trop facile” par rapport aux autres, peut-être pour appâter le chaland. Le 13 sur la relativité m’a fait un peu la même impression, mais bon, on ne peut nier que e=mc² ait changé le monde… Personnellement c’est le dernier chapitre sur qui m’a laissé un peu froid. Ok, les maths actuelles s’intéressent beaucoup à l’économie, mais il me semble que là, Stewart s’éloigne un peu des “deux types d’équations” de son introduction.

Peut-être que Stewart aurait pu ajouter l’équation du Page Rank de Google ou celle du comme il le suggère dans un mail ( , “bonus” en bas). Mais il les garde plus probablement pour un prochain livre sur les “17 équations qui changeront le monde”, si celui-ci marche bien…

“17 équations” est un bon bouquin, mais ne soigne pas l’allergie aux maths. Si vous connaissez déjà certaines des équations, ça vous fera une bonne révision et vous en découvrirez probablement de nouvelles facettes, comme les par exemple. Si vous êtes un passionné d’histoire des sciences vous y trouverez certainement votre bonheur également.

(merci à l’éditeur pour la “copie presse”)

Références:

Ian Stewart (2014). 17 équations qui ont changé le monde. Robert Laffont.
W. S. Koon, M. W. Lo, J. E. Marsden, S.D. Ross, “ ” 2001, in “Dynamics of Natural and Artificial Celestial Bodies”, Springer DOI >
Max Nisen, “ ”, 2013, Business Insider

Comment expliquer la relativité aux enfants

Sun, 15 Dec 2013 00:00:00 +0000

Au fait, sur ton magnifique blog , tu ne pourrais pas nous pondre une explication claire des découvertes d’Einstein, comme si nous étions des enfants de 12 ans ? Pourquoi donc les vitesses ne s’additionnent-elles pas (celle du train et de la bille qui y roule par exemple) et qu’il faut y mettre cette constante c ?

Face à ce défi reçu de Franck par e-mail, j’ai commencé par me défiler en lui répondant que c’était assez difficile à expliquer avec des mots, qu’une petite vidéo avec des animations me semblait plus adaptée, et après une petite recherche je lui ai recommandé celle ci-dessous (pas la meilleure, mais en français)

Et puis je me suis rappelé cette citation attribuée à Albert : “Si vous ne pouvez expliquer un concept à un enfant de six ans, c’est que vous ne le comprenez pas complètement”, qui m’oblige à justifier ma dérobade. Outre le fait que cette phrase n’est , je ne prétends d’une part pas comprendre complètement la relativité, mais surtout je ne suis pas sur qu’un enfant “normal” pourrait la comprendre même si les meilleurs vulgarisateurs du monde la lui expliquaient. Pas parce que le développement cognitif de l’enfant serait insuffisant pour comprendre, mais parce que:

La relativité ne fait pas partie des “expériences sensibles”.
Les démonstrations non mathématiques de la relativité restreinte sont encore trop verbeuses.

Détaillons ceci dans deux paragraphes.

1. Je peux toucher ?

Hubert Reeves disait à propos de la relativité :

La réaction d’un esprit non préparé est normalement : “je ne comprends pas.” En fait il n’y a rien à “comprendre”: voilà un énoncé qui représente un fait vérifié par l’expérience. On part de là; on n’y arrive pas après raisonnement. On constate le fait, comme on constate l’existence du monde, comme on constate sa propre existence.

L’incrédulité de St Thomas par Le Caravage, parce que je trouve qu’il va bien là.

Malheureusement on ne constate pas la relativité comme un fait dans la vie quotidienne : il n’existe pas d’expérience permettant de visualiser un effet relativiste dans sa cuisine ou dans une classe primaire. Dans un coûteux labo de physique universitaire on peut commencer à “toucher” la relativité par l’expérience, mais dans une classe primaire on est paradoxalement forcé de travailler à un niveau d’abstraction supérieur, à partir de descriptions d’expériences réalisées par d’autres, et par raisonnement, Ce n’est pas facile, même au niveau de l’enseignement supérieur .

Ma suggestion à un enseignant qui voudrait s’attaquer à une introduction à la relativité serait de relever le défi à l’envers, en demandant aux élèves d’imaginer un monde dans lequel la lumière irait beaucoup plus lentement, par exemple à 10 m/s (36 km/h) seulement. Que verrait un coureur de 100m pendant les 10 secondes de sa course s’il regardait le chrono placé à l’arrivée ? Et à l’arrivée, qu’indiquerait le chrono placé au départ ? Que se passerait-il s’il essayait de brûler les fesses du concurrent devant lui avec un rayon laser ?

Ensuite, la classe pourrait jouer un peu avec “ ”, un jeu video gratuit développé par le MIT dans lequel la lumière ralentit au fur et à mesure qu’on trouve des objets :

Puis tenter d’expliquer pourquoi les couleurs se modifient, faire le parallèle avec l’ sonore bien perceptible au passage d’une ambulance pour introduire l’idée que la lumière est une onde. Commencer à se demander ce qui se passerait si le coureur de 100m pouvait dépasser la vitesse de la lumière. Que verraient les caméras ? Que verrait-il, lui ? Que pourrait-il faire une fois à l’arrivée alors que les rayons lumineux émis pendant sa course ne seraient pas encore arrivés ?

2. Chérie, j’ai rétréci la formule

Le paragraphe suivant est tiré d’un ouvrage fondamental de la physique:

Les changements qui arrivent dans le mouvement sont proportionnels à la force motrice, et le sont dans la ligne droite dans laquelle cette force a été imprimée. Si une force produit un mouvement quelconque, une force double de cette première produira un mouvement double, et une force triple un mouvement triple, soit qu’elle ait été imprimée en un seul coup, soit qu’elle l’ait été peu à peu et successivement, et que ce mouvement, étant toujours déterminé du même côté que la force génératrice, sera ajouté au mouvement que le corps est supposé avoir déjà, s’il conspire avec lui; ou en sera retranché s’il lui est contraire, ou bien sera retranché ou ajouté en partie, s’il lui est oblique; et de ces deux mouvements il s’en formera un seul, dont la détermination sera composée des deux premières.

Compris ? Pourtant c’est ainsi que Newton lui-même énonce sa dans ses en 1687 (la traduction française date de 1756 ). De nos jours, on résume ceci par F = m.a

Même le cancre interrogé sur “efégalema” ne parviendra pas à emberlificoter ses explications autant que le grand Newton, pour autant qu’elles soient justes. En 3 siècles, les 803 caractères de la formulation newtonienne destinée à l’élite intellectuelle de son temps ont été réduits à 5 symboles assénés à tous les ados du monde ou presque.

Et ce n’est pas un cas unique. Même E=m.c² est un raccourci de l’article d’Einstein qui disait initialement

Si un corps perd une énergie L sous forme de rayonnement, sa masse diminue de L/c2

A mon humble avis, la relativité (qui ne se résume pas à E=m.c²) est encore trop jeune pour avoir été formulée sous une forme assez claire, cohérente et compacte pour être transmise à - et comprise par - des enfants. Plusieurs générations de professeurs devront encore raffiner leur approche pédagogique de la relativité par des livres grand public , voire l’expérimentation animale avant que la relativité ne soit enseignée au secondaire, puis peut-être au primaire dans les classes des …

Et avec tout ça, j’ai encore éludé la question de Franck … je suis tenté d’y répondre par “Tu comprendras quand tu seras plus grand” mais je préfère “Cherche et tu trouveras” ;-)

Références:

Hubert Reeves “ ”, 1961, Liberté, 3(2), 490–492. \[[pdf](http://www.erudit.org/culture/liberte1026896/liberte1430666/59825ac.pdf)\]
Pierre MAGNIEN “La relativité restreinte dans le programme de TS : Cherchez l’erreur!” \[[pdf](http://acces.ens-lyon.fr/clea/lunap/Relativite/relativite-restreinte-principes-et-applications/RR_TS.pdf)\]
John Conduitt (1990). Principes mathématiques de la philosophie naturelle. Gabay. ( )
Albert Einstein “ ” 1905
Jerome Pohlen (2012). Albert Einstein and relativity for kids: his life and ideas with 21 activities and thought experiments.
Chad Orzel (2012). How to teach relativity to your dog. Basic Books.

Comment radiographier un volcan

Sat, 07 Dec 2013 00:00:00 +0000

Avec des muons cosmiques, pardi !

Un article du “Pour la Science” de décembre m’a particulièrement scotché : une équipe a radiographié, ou plus exactement l’intérieur du en Guadeloupe . Le a obtenu des mesures de la densité des roches comme celles ci-dessous:

On y distingue par exemple sur l’image du bas la cheminée bien verticale du cratère “sud-sud”. Ces mesures sont compatibles avec celles obtenues par d’autres techniques , mais leur résolution de l’ordre de 30m est bien meilleure, et le système relativement peu coûteux.

Détecteur de muons du projet Diaphane (CNRS)

L’idée géniale est de placer un détecteur sur le flanc de la montagne, et de laisser les rayons cosmiques produire naturellement des qui vont traverser la montagne et arriver au détecteur. En mesurant leur direction d’arrivée et connaissant par cartographie l’épaisseur de roche traversée, on peut déterminer la densité de la roche à partir du flux de muons détectés .

Comme ce flux n’est pas très élevé (10 à 100 muons détectés par jour), il faut plusieurs semaines pour obtenir une image complète, mais un tel système pourrait surveiller en continu certains volcans et y détecter des mouvements internes potentiellement précurseurs d’éruptions. Technique à suivre donc.

D’autres articles du valent le déplacement chez votre marchand de journaux. Outre “ ” de Thomas Peacock et George Haller qui clarifie la méthode ayant donné lieu au buzz des “ ” et “ ” de Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik qui explique lui aussi mais sans vidéo, il y a des articles sur les , la , d’étonnantes et la , entre autres sujets passionnants. D’ailleurs j’y replonge immédiatement.

Références

N. Lesparre, D. Gibert, and J. Marteau, “ ”, Pour la Science, no. 434, pp. 44–51. Décembre 2013
N. Lesparre, D. Gibert, J. Marteau, J.-C. Komorowski, F. Nicollin, and O. Coutant “Density muon radiography of La Soufrière of Guadeloupe volcano: comparison with geological, electrical resistivity and gravity data”, Geophys. J. Int., vol. 190, no. 2, pp. 1008–1019, Aug. 2012.
Olivier Coutant, “Tomographie de la Soufrière avec les muons cosmiques”.octobre 2012 \[[pdf](http://wwwobs.univ-bpclermont.fr/CNFGG2012/presentations/session4/Gibert_CNFGG_2012.pdf)\]

Ou étiez-vous, photons ?

Tue, 03 Dec 2013 00:00:00 +0000

Je vous propose ci-dessous ma traduction d’un article récent que j’ai trouvé fort bien fait sur un sujet difficile d’accès : la mécanique quantique. L’expérience décrite est géniale, et son interprétation par une symétrie du temps me titille particulièrement les neurones…

Résumé

Avec une nouvelle version de la fameuse expérience des , des physiciens israéliens viennent de mesurer un phénomène bizarre même selon les standards contre-intuitifs de la mécanique quantique. En plaçant deux fentes de Young sur le trajet d’une expérience avec deux autres fentes de Young, les chercheurs ont montré que des photons traversent une partie de l’installation dans laquelle ils n’entrent pas, ni ne sortent. Selon cette équipe, cet effet se comprend le plus facilement en invoquant une interprétation non conventionnelle de la mécanique quantique proposée dès 1964, le “formalisme vectoriel à deux états”.

L’expérience

Expérience de Young version aquatique. Cliquez pour une très bonne video

La démonstration la plus simple et convaincante de la est probablement la fameuse expérience des fentes de Young. Des particules comme les photons ou les électrons émis un à un se comportent comme des ondes lorsqu’ils traversent deux fentes étroites rapprochées, et forment un motif d’interférence sur un écran.

Dans une version récente de l’expérience, et ses collègues de l’Université de Tel-Aviv ont utilisé des comme double fentes de Young, et des photons comme particules. L’interféromètre optique utilise un miroir semi-réfléchissant pour diviser le faisceau de photons en deux chemins distincts qui sont recombinés et envoyés à un détecteur. Toute différence de longueur entre les deux chemins influence l’interférence des deux rayons lorsqu’ils sont recombinés, ce qui modifie l’intensité mesurée par le détecteur.

Trois chemins possibles

Dans l’expérience de Tel-Aviv, un interféromètre de Mach–Zehnder “interne” est placé sur l’un des chemins d’un interféromètre “externe” de façon à ce que le faisceau recombiné poursuive son chemin à travers l’appareil “externe” jusqu’à un détecteur (voir la figure ci-dessous). Un photon a donc trois chemins possibles entre sa source et le détecteur. Le but de l’expérience est de découvrir quels chemins ont été empruntés par les photons arrivant au détecteur, du moins une partie d’entre eux. Ceci s’appelle une “ ”, et est consistant avec les lois de la mécanique quantique car ça n’implique pas de mesurer la trajectoire suivie par un photon spécifique.

Avec le "formalisme vectoriel à deux états", la probabilité de trouver un photon est définie par une onde se propageant depuis la source (en rouge) et une onde se rétro-propageant depuis le détecteur (en vert). Un photon ne peut se trouver que là où les deux sont non nulles . (illustration: Lev Vaidman)

Pour effectuer leurs mesures, les physiciens ont fait vibrer les miroirs des interféromètres chacun à une fréquence différente. En vibrant, chaque miroir altère légèrement la longueur du rayon lumineux qu’il réfléchit, ce qui change l’intensité détectée. Comme chaque miroir vibre à une fréquence distincte, la présence d’un pic à chacune de ces fréquences sur le signal détecté indique que des photons sont passés par le miroir correspondant.

Les chercheurs ont ajusté la longueur des chemins à travers l’interféromètre interne pour que les deux rayons interfèrent de manière destructive lors de leur recombinaison. De ce fait, aucune lumière ne peut quitter l’interféromètre interne. On pourrait donc attendre que la seule oscillation détectée provienne du miroir C contournant l’interféromètre interne, mais ce n’est pas ce que les chercheurs ont trouvé

Conclusion bizarre

L’intensité détectée oscille effectivement à la fréquence du miroir C, mais aussi à celles des miroirs de l’interféromètre interne A et B. Pourtant elle n’oscille pas aux fréquences des miroirs E et F situés à l’entrée et à la sortie de celui-ci. Ceci mène à la bizarre conclusion que certains photons reçus au détecteur ont passé à travers l’interféromètre interne, mais n’y sont jamais entrés ni sortis.

Les chercheurs pensent que ceci valide une des appelée “formalisme vectoriel à deux états” ( ). Elle a été proposée en 1964 déjà par , Peter Bergmann et Joel Lebowitz. Avec cette interprétation, la probabilité de trouver une particule à un certain endroit est le produit de deux vecteurs, l’un évoluant à partir de la source, l’autre remontant le temps à partir du détecteur.

Un photon ne peut toucher un miroir que si et seulement si les deux ondes ne sont pas nulles en ce point. L’interféromètre interne fait que toute onde qui le quitte est identiquement nulle. L’onde allant vers le futur (rouge sur l’illustration) ne passe pas par le miroir F, donc aucun photon ne peut s’y trouver. Quant à l’onde remontant le temps à travers l’interféromètre interne (en vert) , elle ne passe pas par le miroir d’entrée E, donc aucun photon ne peut s’y trouver non plus. Pourtant, dans l’interféromètre interne les deux ondes sont non nulles, donc les photons passent par les deux chemins incluant les miroirs A et B.

Intuitions et explications

Vaidman insiste sur le fait que le “formalisme vectoriel à deux états” ne fait en réalité pas de prédictions différentes de celles de l’approche conventionnelle de la conçue par dans les années 1920. Cependant, les résultats de cette expérience semblent hautement contre-intuitifs et sont difficiles à rationaliser par la méthode traditionnelle. Selon Vaidman “Vous pouvez définir des constantes et vous pouvez avoir des intuitions sur ce qui se passe à l’aide du formalisme vectoriel à deux états, mais rien de ce que la mécanique quantique standard ne peut expliquer en fin de compte.”

Onur Hosten de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign n’a pas participé à l’expérience et estime que, formalisme vectoriel à deux états ou pas, l’effet est produit par le fait qu’une mesure faible perturbe inévitablement le système. Faire osciller les miroirs change la longueur des chemins, ce qui détruit l’interférence destructive parfaite et permet à la fonction d’onde de s’échapper. “De mon point de vue, c’est vraiment intéressant de comprendre pourquoi on obtient ces résultats”, dit Hosten, “mais il est aussi intéressant qu’une mesure faible fournisse des réponses déconcertantes”.

Références:

Tim Wogan “ ”, 26 novembre 2013, physicsworld.com
Ariel Danan, Demitry Farfurnik, Shimshon Bar-Ad, & Lev Vaidman (2013). Asking photons where have they been ArXiv arXiv: \[[pdf](http://arxiv.org/pdf/1304.7469v2.pdf)\], soumis à Physical Review Letters
Aephraim Steinberg, Amir Feizpour, Lee Rozema, Dylan Mahler and Alex Hayat “ ”, 7 mars 2013, physicsworld.com

Pour la Science d'octobre

Mon, 30 Sep 2013 00:00:00 +0000

Plusieurs articles du de ce mois d’octobre ( ) m’ont particulièrement intéressé.

“La naissance de l’écriture en Égypte” décrit comment cinq “systèmes graphiques” ornant des poteries ou des sceaux ont donné naissance aux hiéroglyphes vers l’an -3250 (notez la précision). Je n’avais jamais vraiment réalisé la différence fondamentale entre des dessins et une . Des dessins figuratifs peuvent être compris par tous, alors qu’une écriture représente les sons d’une langue qui doit être commune aux scribes aux lecteurs. Selon l’auteur de l’article, c’est la méconnaissance de la langue sous-jacente qui empêche de .

“Des failles dans le tableau périodique” tombe à pic pour faire suite à . La découverte de l’ ayant été confirmée et celle de l’ synthétisé une première fois en 2010 étant attendue, il ne restera plus qu’à obtenir les deux attendus cette décennie pour terminer l’oeuvre de Mendeleïev commencée en 1869 : toutes les lignes et colonnes du seront complètes. Si on parvient un jour à produire un noyau contenant plus de 120 protons, il appartiendra à une famille totalement nouvelle : les . Il est cependant difficile de prévoir les caractéristiques physico-chimiques de ces éléments, car les électrons orbitent autour de ces gros atomes à des vitesses relativistes, ce qui modifie considérablement les caractéristiques attendues en fonction de leur position dans le tableau. C’est la relativité restreinte qui fait que l’Or est jaune, et que le situé sous le Mercure dans le tableau a de nombreux points communs avec le Radon.

L’auteur de “Particules et champs sont-ils réels ?” , physicien et philosophe, se demande dans quelle mesure les notions indissociables de particules et de champs postulées par la et le correspondent à la réalité. Selon la physique, ces entités sont trop différentes de l’image que nous nous en faisons à partir des observations à notre échelle, comme “particule = petite boule de billard” et “champ = espace avec des valeurs en chaque point” alors que l’intrication quantique et les champs quantiques d’opérateurs ne correspondent à rien à notre échelle. Une susceptible de résoudre ces contradictions serait le , dans lequel seules les relations, les propriétés ou “structures” existent vraiment, et ce que nous appelons “objets” n’en seraient qu’une émergence. Si j’ai bien compris, une structure combinant une charge négative, un demi-spin et une saupoudrée de masse ferait “émerger” ce que nous appelons un électron.

Personnellement, j’ai découvert que mon me rend au moins un peu en découvrant ce passage:

La théorie rend compte de nos observations en termes de quarks, muons, photons et divers champs quantiques, mais elle ne nous dit pas ce qu’est véritablement un photon ou un champ quantique. Et elle n’a pas besoin de le faire, parce que les théories physiques peuvent être empiriquement valables en grande partie sans régler ces questions métaphysiques.

Pour de nombreux physiciens, c’est suffisant. Ils adoptent une attitude dite instrumentaliste : selon eux, les théories scientifiques ne représentent pas nécessairement la réalité du monde. Pour eux, les théories ne sont que des outils pour faire des prédictions expérimentales.

Et je le prouve : quelle expérience permettrait-elle de vérifier si le monde est “structurellement réaliste” plutôt que quantique+relativiste ? Aucune ? Alors cette “ontologie” n’a aucun autre intérêt que de simplifier éventuellement certaines formules. C’est très bien, c’est très beau, mais est-ce suffisant pour prétendre à être plus proche de la réalité ? Pourquoi ne pas accepter que ce soit les propriétés “simples” d’entités macroscopiques comme les boules de billard et les champs vectoriels qui “émergent” des propriétés quantiques ? Enfin, le réalisme structurel ne me semble pas permettre d’avancer sur une question physico/philosophique absolument fondamentale : . Sans ça, toute me semble désespérément planante…

les 14 types connus de pavages pentagonaux

L’article de Jean-Paul Delahaye sur les pavages pentagonaux remontera le moral de tous les mathématiciens célèbres qui sommeillent en nous. Imaginez qu’une brave dame nommée a découvert en l’espace de 10 ans quatre manières différentes de paver le plan avec des pentagones après que des mathématiciens professionnels aient plusieurs fois démontré qu’il n’en existait pas plus que ceux déjà connus. Aujourd’hui on connait les 14 pavages ci-dessus, mais il en existe peut-être plus… Un autre amateur, Jaap Scherphuis a listé ” dont on ignore si elle est complète. De plus, sa est une mine d’articles futurs…

Dans le genre “incroyable mais vrai”, Loïc Mangin présente le stupéfiant travail artistique de deux soeurs jumelles qui ont reproduit un récif de corail au crochet. Son article explique que la technique du crochet permet de générer la typique de nombreuses structures coralliennes. Pour en savoir plus, regardez la de Margaret Wertheim.

Récif corallien en crochet de l’Institute for Figuring des soeurs Wertheim

Enfin “L’élagage des souvenirs pendant le sommeil” propose une hypothèse contraire à celle communément admise selon laquelle les souvenirs acquis récemment sont renforcés lors du sommeil. Selon les auteurs, ce sont au contraire les synapses liées aux souvenirs “inutiles” qui sont affaiblies durant le sommeil. Pour eux, le tri des souvenirs “utiles” du “bruit de fond” se fait pendant le sommeil en mettant en correspondance tous les souvenirs acquis pendant la journée avec ceux plus anciens, en les combinant de diverses manières, ce qui provoque les rêves.

Et c’est exactement ce que je vais aller faire maintenant, juste après vous avoir recommandé de foncer au kiosque vous acheter ce numéro passionnant.

Références:

G. Graff, “La naissance de l’écriture en Égypte”, Pour la Science, octobre 2013, no. 432, pp. 40–47
E. Scerri, “Des failles dans le tableau périodique”, Pour la Science, octobre 2013, no. 432, pp. 66–71
M. Kuhlmann, “Particules et champs sont-ils réels ?” Pour la Science, octobre 2013, no. 432, pp. 56–62
J.-P. Delahaye, “Les pavages pentagonaux : une classification qui s’améliore”, Pour la Science, octobre 2013, no. 432, pp. 78–83.
L. Mangin, “Le crochet, le corail et la géométrie”, Pour la Science, octobre 2013, no. 432, pp. 86–87
G. Tononi and C. Cirelli, “Oublier pour mieux se souvenir pendant le sommeil”, Pour la Science, octobre 2013, no. 432, pp. 24–30

Pourquoi une loupe ne viole pas la thermodynamique

Sun, 03 Feb 2013 00:00:00 +0000

Petit article vite fait : je me contente de traduire un qui répond à une question simple, pertinente et plus intéressante qu’il n’y parait :

Pourquoi les lentilles qui concentrent la lumière ne violent pas le second principe de la thermodynamique ? En utilisant une loupe pour brûler des fourmis, ne rendez-vous pas un point plus chaud que la température ambiante sans dépenser d’énergie ?

Il est absolument impossible de créer de l’énergie, mais rien n’empêche de transférer de l’énergie d’un endroit à un autre, par exemple avec un tuyau allant de votre chauffe-eau à votre douche. Dans le cas de la lumière solaire et de la lentille, il faut juste traiter ce transfert d’énergie d’une manière un peu plus abstraite.

Focaliser la lumière du Soleil ne fait pas diminuer l’ car ce que fait la lentille, très grossièrement, est d’échanger de l’ “information de direction” contre de l “information de position” : la lumière provenant d’une direction (celle du Soleil) est amenée à une position (le foyer de la lentille).

La lumière parfaitement parallèle peut être focalisée en un point, mais la lumière d’une direction différente est focalisée en un autre point. La lumière provenant de différentes directions ne peut pas être focalisée en un seul point.

Donc, si la lumière provenant du Soleil n’était pas si parallèle, on ne pourrait pas utiliser une loupe pour la concentrer si bien. C’est pourquoi, un jour nuageux, vous ne pouvez pas brûler des fourmis même si le temps est assez clair. L’énergie est là, mais dispersée.

C’est un peu surprenant mais focaliser des rayons parallèles en un point ne change pas l’entropie de la lumière, et il y a un joli moyen de montrer ceci. Une bonne règle empirique au sujet de l’entropie est “si vous pouvez inverser le processus, l’entropie est constante”. Or ici, vous pouvez si vous le souhaitez ajouter une seconde lentille pour “reparalléliser” la lumière:

Focaliser la lumière peut être inversé, comme ici, donc ça n’augmente pas l’entropie.

On pourait penser qu’avec des miroirs, des lentilles et des fibres optiques il devrait y avoir moyen d’amener plein de rayons de lumière en un seul point pour le rendre aussi chaud qu’on veut. Mais non. C’est encore un exemple d’odieux de l’univers.

Il y a une loi générale de la thermodynamique qui dit qu’on ne peut jamais focaliser de l’énergie de manière à ce que la cible devienne plus chaude que la source. Donc vous pouvez utiliser tous les miroirs et lentilles que vous voulez, vous n’arriverez jamais à focaliser la lumière solaire pour qu’elle dépasse 5800K, la température à la surface du Soleil, mais vous pouvez vous en approcher pas mal. ce n’est cependant pas très utile car les machines ont tendance à fondre à de telles températures.

Si vous étiez au point lumineux, vous verriez une image agrandie du Soleil à travers la loupe. (Photo CC-BY Walter J. Pilsak )

Une bonne façon de se représenter ceci est de vous imaginer vous promener à la surface du Soleil, puis de vous imaginer au foyer de la lentille. En étant dans les couches externes du Soleil, vous auriez tout autour de vous dans toutes les directions de la matière rayonnant a environ 5800 Kelvin. En conséquence vous vous retrouveriez à équilibrer cette température, en vous brûlant pour de bon. Si vous étiez au foyer d’un ensemble élaboré de miroirs et de bidules, vous seriez dans la même situation, voyant le Soleil dans toutes les directions. Et le résultat serait le même.

On sent qu’il pourrait y avoir un moyen de tricher, mais il n’y en a juste pas. Si vous pouviez trouver un moyen de produire une cible plus chaude que la source, vous auriez produit un . (Note Dr. G : avec les mêmes chances de succès que les roues gravitationnelles et les bidules à aimants : )

Encore plus vite que le vent

Sun, 16 Dec 2012 00:00:00 +0000

Vous savez peut-être que j’ai créé il y a un peu plus de 5 ans un , désormais principalement animé par d’autres passionnés. Depuis 2007, le a été franchi par des engins très différents, allant du kitesurf à . Mais le 24 novembre 2012, le record de vitesse pure a été pulvérisé par , qui a de moyenne sur 500m

Vestas Sailrocket 2 à 65 noeuds en Namibie. Cliquez pour la video !

Dans un spectaculaires, j’ai relevé que pour atteindre de telles vitesses il faut des conditions idéales : vent de 30 nœuds (voire plus pour les kite) arrivant sous le bon angle au ras d’une plage pour que les vagues ne soient pas formées. Le record absolu de vitesse a-t-il toujours un sens s’il faut attendre des semaines que ces conditions se présentent en l’un des quelques spots idéaux de la planète ? Ne devrait-on pas plutôt mettre sur pied des records relatifs à la vitesse du vent, en considérant que Sailrocket a atteint 2.4x la vitesse du vent, un kitesurf atteignant 1.8 et “BMW Oracle”, le géant de la dernière Coupe de l’America un facteur 4.5 ?

Car oui, on peut aller . Mais pas à toutes les : les bateaux munis de voiles traditionnelles ou d’ailes fixes ne peuvent remonter face au vent. Et au “vent arrière”, il sont condamnés à une vitesse inférieure à celle du vent car lorsque la vitesse du bateau augmente, le diminue jusqu’au point où la puissance extraite par les voiles compense la , et le bateau ne peut plus accélérer. *

Mais des voiles “non traditionnelles” permettent-elles de dépasser ces limites ?

La réponse est oui. Sur l’eau il existe déjà des , de s et même un propulsés par des éoliennes orientables couplées à des hélices marines, ce qui leur permet de remonter directement face au vent. Mais en l’absence d’organisme validant des records de , les navigateurs ont peu de considération pour ces travaux

Sur terre, la (Association Nord Américaine de Chars à Voile) homologue des records face au vent en vitesse absolue (C3) et relative (C4) . Ces deux records étaient tous deux détenus par le véhicule “DTU” de l’Université Technique du Danemark participant à l’édition 2011 de la . Il avait atteint 24.6 km/h et 75% de la vitesse du vent pendant les 10 meilleures secondes de son parcours sur une route de 5.3 km orientée face au vent. La course a été remportée cette année par , un engin de l’Ecole Technique Supérieure du Québec qui a .

Chinook, lauréat de l’Aeolus 2012 avec 58.5% de la vitesse du vent (cliquer pour plus d’infos)

Chinook a peut-être même ponctuellement fait mieux que les 75% de DTU, mais ça n’a plus d’importance depuis le 16 juin 2012. Car ce jour là, le “ ” de Rick Cavallaro a pulvérisé le record de vitesse absolue face au vent (C3) avec 36.6 km/h et surtout le record relatif (C4) avec 2.1 fois la vitesse du vent réel ! ,

Blackbird face au vent. Remarquez le pas variable de l’éolienne (et cliquez pour plus d’infos)

Ce record spectaculaire est cependant moins surprenant que celui qu’avait déjà réalisé Blackbird le 3 juillet 2010. Ce jour là Rick Cavallaro est devenu le premier homme “DDWFTTW” : Direct DownWind Faster Than The Wind. Il a même atteint 44.6 km/h dans 16 km/h de vent, soit presque 2.8 fois la vitesse du vent , au vent arrière !

Comme le dit Rick Cavallaro dans un article passionnant qui retrace toute l’aventure , 99% des gens pensent a priori que c’est impossible (c’était mon cas) et 99% des autres n’arrivent pas à comprendre comment ça peut marcher (c’est mon cas actuellement, mais je me soigne).

En 2008, où l’on voit un modèle réduit dépasser la vitesse du vent (à partir de 1:22) a été qualifiée de canular et suscité des commentaires très critiques voire haineux sur plusieurs forums. Même des blogs de science respectables assimilaient DDWFTTW à “mouvement perpétuel” .

Il faut dire que la première idée qui vient à l’esprit est fausse : ce n’est pas l’éolienne qui fait tourner les roues, ce qui poserait un problème lorsque le vent apparent s’annule. Ce n’est pas non plus l’inertie du rotor qui permet de passer cette vitesse critique, et il ne faut pas inverser le pas de l’hélice pour qu’elle mouline l’air venant de l’avant après avoir mouliné l’air venant de l’arrière. D’ailleurs regardez la vidéo une fois encore : l’hélice tourne dans la direction “propulsive” dès le départ, et rien de spécial ne se produit lorsque l’engin atteint la vitesse du vent

La solution est beaucoup plus simple, mais aussi beaucoup plus perturbante que ça : ce sont les roues qui actionnent l’hélice, qui fonctionne comme un propulseur ! Ca pue le mouvement perpétuel, mais ça n’en est pas un parce que le vent réel est toujours présent, le problème étant de pouvoir utiliser son énergie.

Dans leur article “ ” paru dans “Pour La Science” cet été, et Édouard Kierlik utilisent l’analogie du yoyo : quand un yoyo est posé au sol et qu’on tire doucement sur la ficelle, il se rapproche en enroulant la ficelle autour de son axe, donc plus vite que le déplacement de la ficelle. Ce comportement ne se produit cependant que si entre le rapport de transmission (le rapport entre le périmètre de l’axe et le périmètre du yoyo) entre le coefficient de frottement du yoyo au sol sont satisfaites.

Sur “Blackbird”, c’est le vent réel arrière qui joue le rôle de la ficelle et l’hélice celui de l’axe. Avec un rapport de transmission entre le périmètre des roues et le pas de l’hélice bien choisi et des coefficients de frottement avec la route et avec l’air suffisants, le véhicule exploite avec une sorte de bras de levier la différence de vitesse relative entre les deux milieux, différence qui reste d’amplitude et de direction constante lorsque le véhicule accélère.

La possibilité théorique d’un tel véhicule avait déjà été établie en 1969 . Il a fallu 40 ans de travail de passionnés pour arriver à dépasser la vitesse du vent sous toutes les allures, mais pour l’instant à terre, et avec des véhicules différents ou nécessitant une adaptation. Qui arrivera à rouler sur un cercle complet plus vite que le vent réel ? Et qui arrivera à le faire sur l’eau ?

Note * ajoutée le 2.3.15 : En , les voiliers modernes comme Oracle peuvent atteindre une supérieure à celle du vent tant en le remontant qu’en le descendant.

Références

" ", 2012
Rick Cavallaro ” 25 June 2012
Bob Dill and Kimball Livingston “ ”, NALSA, Novembre 2012
(slides sur la conception d’un véhicule de la compétiton)
Rick Cavallaro “ ", 12 July 2010
Bob Dill and Kimball Livingston “ ”, NALSA 2010
Rick Cavallaro, “ ”, Wired, 27 August 2010
Rhett Allain ” , Scienceblogs, décembre 2008
Jean-Michel Courty et Édouard Kierlik “ ", Pour la Science N°417 - juillet 2012
Andrew B. Bauer “ ”, 1969

La glace-9 de Vonnegut peut-elle exister ?

Mon, 05 Nov 2012 00:00:00 +0000

Je viens de découvrir chez une réponse à la question que je me posais depuis la lecture du “Berceau du Chat”, encore un vieux mais bon livre de S.F \[1\]. Je traduis l’article complet:

Question: Est-il possible de créer une substance comme la de Kurt Vonnegut, qui pourrait se lier à l’eau, en particulier l’eau de mer et se répliquer comme un virus en solidifiant les océans et toute l’eau sur Terre?

Réponse du Physicien : Non. En fait il existe une , mais elle n’a rien de spécial.

Les cristaux sont en général “auto-réplicants”. Une fois qu’un cristal est présent, la matière première environnante qui se place dans dans le réseau cristallin cause une baisse de l’énergie totale, mais bizarrement il faut dépenser un peu d’énergie pour commencer le cristal. Vous pouvez voir ceci en action avec de l’ : l’eau est tellement froide qu’elle devrait geler, mais aucun arrangement des molécules d’eau ne permet de commencer le cristal de glace.

Eau surfondue gelant au contact de glace existante

Le premier minuscule cristal qui démarre la boule de neige est appelé un “germe”. Souvent il n’est pas nécessaire car des impuretés de l’environnement peuvent ressembler à du cristal et les groupes d’atomes prêts à cristalliser peuvent s’y déposer. On appelle ces impuretés des “sites de ”.

Il pourrait paraître étrange de parler de formes d’eau solide différentes de la “glace” habituelle, mais il faut se souvenir que de nombreuses substances sont capables de cristalliser de plusieurs manières. Par exemple le et le sont fait d’exactement la même matière, l’oxyde d’aluminium, simplement arrangé différemment en fonction de l’environnement dans lequel ils se forment. (Note du 10.11.12: ceci n’est pas correct. Comme Ethaniel l’a soulevé dans un commentaire.)

L’oxyde d’aluminium sous formes saphir et rubis

L’eau en particulier cristallise sous un nombre surprenant de formes. Jusqu’ici, on a découvert 15 formes différentes de glace d’eau, mais une seule peut se former naturellement sur la Terre, la Glace-I. Même au fond de la fosse des Mariannes, la pression n’est de loin pas suffisante pour une autre .

Les différents états de l’eau et de la glace en fonction de la pression et de la température. La ligne rouge horizontale correspond à la pression à la surface de la Terre

Une règle générale est que si quelque chose veut cristalliser et se trouve dans un environnement ou c’est possible, ça arrivera. Même s’il n’y a pas de germe cristallin présent, un site de nucléation apparaîtra tôt ou tard et le cristal pourra se former et croître.

L’idée de la glace-9 de Vonnegut est qu’il pourrait exister une forme cristalline de l’eau qui cristallise rapidement à la pression et température de la surface terrestre. Si ça se pouvait, alors à un certain moment en quelques milliards d’années, à un certain endroit de nos gigantesques océans, un petit cristal de glace-9 aurait du apparaître et envahir le monde.

Nous avons déjà vu ça sur d’autres mondes précisément baptisés “lunes glacées”. Par exemple, a beaucoup d’eau, et son environnement (pression et température) permet la formation de glace-I. Sans surprise, Europe a subi il y a longtemps une “catastrophe du type Glace-I” qui a solidifié toute son eau, du moins à sa surface.

Pour résumer, si l’eau terrestre avait trouvé un moyen de cristalliser à température ambiante, elle l’aurait fait dès que possible, il y a très longtemps.

Bon, je retiens quand même qu’on a toujours pas démontré que la glace-I correspond à un minimum global d’énergie de l’eau à pression/température ambiante, et que le fait que la permet de maintenir le suspense science-fictionnesque.

Référence: Kurt Vonnegut (1972). Le Berceau du chat. Seuil.

Supernovas à antimatière

Sat, 23 Jun 2012 00:00:00 +0000

à lire absolument

L’article d’Avishay Gal-Yam dans le de juillet raconte la séquence de découvertes surprenantes déclanchées par l’étude attentive de quelques supernovas particulièrement violentes.

D’abord, l’auteur et ses collègues découvrent que des étoiles “hypermassives” de 100 masses solaires et plus explosent à la fin de leur courte vie, alors que la théorie prédit qu’elles ne devraient même pas exister.

Ensuite ils s’aperçoivent qu’à l’endroit où ont pété , ou , il ne reste qu’un gros nuage. A la place de l’étoile, il n’y a ni trou noir, ni étoile à neutrons, ni petit bout de reste d’étoile moribonde, rien.

Pour rappel, les étoiles en commençant par l’hydrogène, et quand elles en ont trop converti en hélium elles toussent, se contractent, chauffent, et démarrent la fusion de l’hélium en carbone, puis produisent de l’oxygène. A la fin de cette phase, les petites étoiles comme le Soleil ne chauffent plus assez pour continuer et s’éteignent lentement. Celles qui font plus de 10 masses solaires continuent en fusionnant l’oxygène en silicium, puis en fer. Et la s’arrête là, car la fusion du fer ne produit pas d’énergie. L’étoile s’effondre littéralement sur elle même en fusionnant brutalement ce qu’il lui reste d’atomes légers en une magnifique supernova, laissant sur place une boule de fer qui peut se transformer en étoile à neutrons voire en trou noir.

Une évolution différente a été calculée dans les années 1960 pour des étoiles de plus de 140 masses solaires, mais comme on pensait que ces étoiles n’existaient pas, on l’avait un peu oubliée : la .

Selon cette théorie, ces étoiles une fois parvenues au stade de l’oxygène ne passent pas à la production de silicium car leur coeur ne se comprime pas assez. Mais les photons y sont assez énergétiques pour d’électrons et de selon la célèbre équation d’Albert m=E/c². Paradoxalement, l’énergie est donc “absorbée” sous forme de matière et d’antimatière, ce qui diminue la pression de radiation au cœur de l’étoile, lequel peut s’effondrer à loisir pendant quelques secondes. Et la fusion de l’oxygène démarre dans un cœur en train de se contracter et de surchauffer sous l’effet de l’annihilation des positrons qui se retrouveraient coincés contre des électrons. L’énergie dégagée en quelques minutes étant supérieure à l’énergie potentielle de gravitation de l’énorme étoile, sa matière est intégralement dispersée dans l’espace.

Ce qui est parfaitement conforme aux observations récentes. D’autre part, la théorie prévoit que l’explosion produit du nickel 56 radioactif, qui se désintègre en cobalt 56 puis en fer 56 stable, ce qui produit également une quantité considérable d’énergie plusieurs dizaines de jours après l’explosion. Re-conforme aux observations. Pour fixer les idées, SN2007bi a produit environ 7 masses solaires de nickel 56 ! Ca c’est du déchet radioactif, les amis !

A part cet extraordinaire phénomène, j’ai particulièrement aimé cet article du Pour la Science car il décrit la démarche des chercheurs, en principe rigoureuse mais tellement soumise aux aléas. La recherche, c’est aussi un ciel couvert qui ne permet de 15 mins d’observation pendant la nuit qu’on a réservée des mois à l’avance. Ce sont des voyages et des rencontres avec d’autres chercheurs pour vérifier les résultats, ou des confrères sceptiques sur les orientations de la recherche. Au total, 50 ans ont passé entre l’hypothèse théorique et sa validation… Avec la science, faut pas être pressé.

A lire absolument.

Références:

A. Gal-Yam, , 2012, , p 20-25
Z. Barkat, G. Rakavy & N. Sack, “Dynamics of supernova explosion resulting from pair formation”, 1967 Phys. Rev. Lett. 18, 379–381 DOI :
A. Gal-Yam, P. Mazzali, E.O. Ofek, P.E. Nugent,S.R. Kulkarni, M.M. Kasliwal, R.M. Quimby, et al. “ ”, 2009 Nature, 462(7273), 624-7. Nature Publishing Group. doi:10.1038/nature08579

Dites NON au mouvement perpétuel

Sun, 27 May 2012 00:00:00 +0000

Un collègue est arrivé au boulot tout excité par le “ ” présenté par un certain Aurélien Prévost à l’émission “l’inventeur 2012” sur M6. Il s’agit d’une “rampe de lancement” magnétique très similaire à celle ci-dessous , déjà en 1977 :

Après une petite démo de la version linéaire du moteur qui pourrait étonner ceux qui n’ont jamais joué avec des ou autres aimants, Aurélien explique calmement kyaka refermer la rampe pour former un circuit circulaire fermé et fixer les billes à une roue pour que celle-ci tourne toute seule, grâce à un moteur magnétique qui ne nécessite ni carburant ni batterie.

L’enthousiasme du jury pour cette “invention” qui va permettre à la France d’alimenter le monde en énergie gratuite fait peine à voir dans un premier temps. Seuls quelques membres du jury demandent à en voir plus, et aucun ne prononce les 2 mots qui qualifient cette “invention” dès le premier coup d’oeil scientifique : “bull shit”. En français : “ ”.

Après avoir revu la séquence plusieurs fois, je suis persuadé qu’il s’agit d’un canular monté par Aurélien avec la complicité d’une partie du jury, voire de toute l’émission de M6. Si j’ai tort, alors j’ai vraiment très honte pour la chaîne de E=M6 : il ne faut pas laisser croire au public qu’il existe la moindre possibilité qu’un truc pareil existe.

Il en va de la santé mentale des spectateurs : combien d’hurluberlus ont passé leur vie à ruiner leur santé mentale et le porte-monnaie familial à bricoler des machines condamnées à l’immobilité perpétuelle. Voici une commencée pour l’occasion, de Léonard de Vinci à nos jours , ,

\[slickr-flickr start="random" align="center" search="sets" set="72157629905515654" link="http://www.flickr.com/photos/goulu/sets/72157629905515654/"\]

On pourrait imaginer qu’après des siècles d’échec expérimental et de réussites scientifiques à expliquer pourquoi ça ne peut pas marcher, les génies amateur se découragent un peu et travaillent à des choses éventuellement possibles comme la téléportation ou la machine à remonter le temps. Mais non. Sur internet et YouTube en particulier, on pour fournir de l’énergie gratuite. Certaines sont d’habiles montages avec un moteur caché dans un coin ou un petit jet d’air invisible bien placé. Ma palme va à .

Et avec des aimants ?

Une machine est toujours un peu plus étonnante voire magique quand on y ajoute quelques aimants et leurs invisibles. Avec des aimants, on peut attirer n’importe quel bout de ferraille à distance, et même repousser un autre aimant. Cette force de répulsion est tellement inhabituelle qu’on en est tout perturbé, comme le juré d’Aurélien qui parle de répulsion alors que son expérience n’utilise que l’attraction des aimants sur la bille. Voici une chouette application de la répulsion magnétique:

Chaise longue à lévitation magnétique d’Hoverit

Cette chaise longue n’a pas besoin d’énergie pour vous maintenir en lévitation. Pour comprendre pourquoi, il faut comprendre la différence entre et .

La Terre attire un kilo de sucre avec une force constante et permanente de 9.81 dirigée vers le sol. Lorsque vous posez le sucre sur la table, celle-ci exerce une force de réaction égale, mais vers le haut. Comment ? En fait ce sont les électrons de la surface de la table qui repoussent les électrons de la surface du paquet de sucre parce qu’ils sont chargés comme eux. C’est cette répulsion (électrostatique) qui empêche le paquet de sucre de passer à travers la table. Pourtant, il n’y a pas besoin de brancher la table à une prise électrique pour qu’elle fonctionne car une force “statique”, qui ne crée pas un mouvement ou un changement des objets qu’elle lie ne “travaille” pas : elle ne consomme ni ne produit d’énergie.

De même, un n’a besoin d’aucune énergie pour rester coller à votre panneau d’affichage, ni pour repousser un autre aimant dans la chaise longue. Il ne s’use pas. Ce n’est que parce qu’on a besoin d’aimants plus puissants et moins chers qu’on utilise des pour les : leur consommation d’électricité pour maintenir des tonnes à quelques millimètres d’un rail est théoriquement nulle, et en pratique très faible. Par contre, lorsqu’on veut déplacer le train, là ça consomme de l’énergie car la force de propulsion “ ” : elle doit s’exercer tout au long du chemin. Les moteur électriques, qu’ils soient rotatifs ou utilisent les électroaimants pour convertir l’énergie électrique en énergie mécanique.

Configuration des aimants de la rampe pour former un puits d’arrêt (1)

Les aimants d’Aurélien accélèrent la bille, mais ensuite la freinent et l’immobilisent à son point d’arrêt, à la position correspondant au fond du trou tracé sur la figure ci-dessus. Il n’existe aucun moyen de couper leur champ magnétique pendant qu’elle se déplace, où plutôt, les moyens existants nécessitent de dépenser au moins autant d’énergie que l’ acquise par la bille. En fait c’est Aurélien qui fournit l’énergie du mouvement lorsqu’il reprend sa bille tombée dans le puits magnétique et la déplace toujours sous l’influence des aimants à l’extrémité de la rampe, ou la force est plus élevée.

S’il enroule son dispositif sur un cercle, la source d’énergie (Aurélien) permettant de remonter la bille depuis le fond du puits disparaîtra : ça ne marchera pas.

Comme l’a bien dit un commentateur sur , Aurélien aurait tout aussi bien pu laisser tomber la bille par terre à travers un tube, puis dire qu’en enroulant le tube elle tournera en rond…

Pourquoi ça ne peut pas marcher

Plutôt qu’une seule explication, en voici plusieurs, destinées à différentes configurations mentales:

“Dieu dit: Que la lumière soit! Et la lumière fut.” ( 1:3 ) Mais la lumière n’étant qu’une forme commune de l’énergie, chose beaucoup plus fondamentale et donc difficile à définir, il est probable que Moïse n’a pas tout compris que Dieu lui dictait : “Que l’énergie soit! Et l’énergie fut”. Et depuis le Big Bang, cette énergie n’a pas varié d’un seul , sauf peut-être sur les lieux des miracles, car seul Dieu Himself a (éventuellement) le pouvoir de créer ou de détruire de l’énergie dans Son Univers. Faire une machine à mouvement perpétuel, ce serait comme faire un miracle sans être Dieu. Tu comprends, pauvre mortel ?
“Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme”. La célèbre loi de de Lavoisier a pris une dimension encore plus générale lorsqu’un y a ajouté “e=m.c² " : en fait c’est l’ . C’est le . En physique, un “ ” est une loi qui n’a jamais été formellement démontrée* mais qui est vérifiée dans toutes les expériences que l’on a pu imaginer jusqu’ici, et jamais infirmée par aucune. Faire une machine à mouvement perpétuel est équivalent à en faire une qui produit de la matière. As-tu bien compris ça, ô bricoleur inconscient ?
Oui mais de célèbres scientifiques ont aussi étudié des mouvements perpétuels plus sophistiqués. Il y a par exemple le , et la , un nano-moteur mu par le mouvement brownien:

Là, c’est une bonne maîtrise du qui est nécessaire pour montrer que ces systèmes peuvent fonctionner, mais nécessitent qu’on leur apporte de l’énergie de l’extérieur conformément aux lois susmentionnées. Dans le cas de la roue à cliquet, c’est d’ailleurs Feynman lui-même qui a montré que ce moteur ne fonctionne que si la température T1 est plus élevée que T2, et que la puissance du moteur ne dépasse pas celle prévue par l’ . Imaginer une machine à , voilà qui commence à être un challenge abordable et respectable, disciple.

Mais je t’en supplie, cher lecteur : tu as dit non à l’héroïne, non à la chiantologie, dis aussi NON aux mouvements perpétuels, au moins de premier ordre.

E pur si muove…

C’est vrai, il existe des mouvements “pseudo perpétuels” pour lesquels les sources d’énergie sont si discrètes qu’il faut une bonne analyse pour expliquer leur fonctionnement. Dans cette catégorie je placerai le , la , l’ , et peut-être aussi l’ . Vos suggestions sont bienvenues dans les commentaires.

A la réflexion, je range aussi dans cette catégorie la grande , qui tourne réellement comme on le voit dans . Puisque ça ne peut pas être un mouvement perpétuel, sa puissance, de l’ordre de 1 watt seulement , provient de quelque part, mais je ne sais pas d’où. Un minuscule vent ? une petite dilatation thermique due à l’éclairage ? l’induction d’un câble électrique ? A mon avis, cette réalisation spectaculaire mériterait une étude sérieuse. Mais M. Costa survivrait-il à l’explication ?

M. Costa devant sa roue

Enfin je vous soumets cette idée folle vue au salon des inventeurs de Genève il y a de nombreuses années, quand il était encore rigolo grâce aux mouvements perpétuels plutôt qu’aux sex toys chinois : une voie ferrée (ou magnétique) en circuit fermé circulaire de 1000 km de diamètre, avec un train de train roulant sur une voie ferrée (ou planant dessus en lévitation magnétique). Un train aussi long que la voie (3142 km…) avec de lourds wagons, et des locomotives fonctionnant à l’envers, comme génératrices injectant dans le réseau l’énergie cinétique du train. Et comme source d’énergie, la . Ca peut marcher ? ou pas ?

* Note ajoutée le 11.10.2013 : en fait le peut être considéré comme une démonstration mathématique du principe de conservation de l’énergie.

Références

Gilles Charles, “ ”, site supermagnete.de
Hartman, Emil T., “ ”, 1977
" ” sur Quant’Homme
Donald E. Simanek, “ ”
R. A. Ford (1986). Perpetual Motion Mystery. Lindsay Publications, Inc..

Portance : pourquoi ça vole ?

Sun, 11 Mar 2012 00:00:00 +0000

Grâce à elle les oiseaux et les avions volent, les voiliers naviguent, les turbines turbinent et pourtant elle reste plus mystérieuse qu’on ne l’imagine. Frédéric Monsonnec (Fred) vient de signer pas , ni , mais bien articles passionnants et magnifiquement illustrés sur la , où il montre qu’il n’y a toujours pas d’explication 100% satisfaisante de cette force à ce jour.

Surprise. Pour ma part je pensais que la cause était entendue : l’air passant sur l’extrados d’une aile doit parcourir un chemin plus grand que celui passant sous l’intrados, donc il doit aller plus vite et selon le (un suisse) sa pression s’abaisse et l’aile est “aspirée” vers le haut par la différence de pression. C’est d’ailleurs . Mais elle est fausse, comme et le montre une . En fait on s’en doute un peu : d’une part il existe des profils d’ailes symétriques qui génèrent une portance grâce à leur angle d’incidence alors que les chemins parcourus par le fluide sont égaux des deux côtés de l’aile, et d’autre part une voile en tissu produit également une portance avec une différence de parcours très faible entre les deux faces du tissu.

Invoquer l’ (un italien) ne résout , et l’ (un roumain) pas mieux : aucune de ces théories ne permet d’expliquer pourquoi une simple planche plate peut servir de (mauvaise) aile. Ceci turlupinait d’ailleurs les théoriciens depuis 1749 déjà, lorsque d’Alembert (un français) conclut ses travaux sur la mécanique des fluides par un : mathématiquement, aucune force ne devrait s’exercer sur un corps en mouvement rectiligne uniforme dans un fluide…

Ce n’est qu’au début du XXème siècle que Kutta (un allemand) et Jukowski (un russe) levèrent indépendamment le paradoxe en introduisant la notion de “circulation” dans ce qui est connu désormais comme le . Selon cette théorie, l’important est que le profil ait un bord de fuite tranchant. Initialement, le fluide passant par le côté de l’aile le plus court (en principe l’intrados) doit franchir le bord de fuite à haute vitesse et remonter le flux pour “rejoindre” le fluide qui emprunte le chemin le plus long. Un bord de fuite tranchant force la formation d’un “tourbillon initiateur” qui entraîne par viscosité la création d’un autre tourbillon attaché à l’aile, mais tournant en sens inverse. Fred a même reproduit ce phénomène dans sa baignoire :

Selon Kutta et Jukowski, ce tourbillon produit la différence de vitesses entre les deux faces du profil jusqu’à ce que la “circulation” autour de l’aile s’annule comme le prévoit le (un anglais). Mais pour qu’une portance se crée, il faut que la soit satisfaite, comme l’illustre cette (alias , un américain), qui montre le flux et la dépression (en rouge) créée lorsqu’on varie la valeur de cette fameuse “circulation”:

En prime, Jukowski nous a aussi laissé sa qui permettait de générer facilement de jolis profils d’ailes. Maintenant on peut l’utiliser en , ou utiliser des moyens de calcul beaucoup plus puissants pour obtenir des profils bien meilleurs.

Tout ça est très séduisant, mais la signification physique de la “circulation” n’est pas claire pour tout le monde. Certains relèvement même qu’on a jamais vu de fluide remonter le flux après avoir passé le bord de fuite (tiens, idée : essayer à ). De plus cette théorie n’est pas très satisfaisante pour les profils qui ont un bord d’attaque également tranchant.

Une autre théorie “moderne” est celle de “l’écope de Newton” . Elle consiste à dire que le fluide est dévié vers le bas non seulement par l’intrados comme dans un bête effet ricochet, mais aussi par l’extrados. Ce “ ” est très visible à proximité d’un hélicoptère, mais aussi sur de belles photos comme celle ci contre. La portance serait simplement la force de réaction générée par la déviation de la masse de fluide. Cette théorie tout simple est considérée comme et aussi par certains physiciens de la voile , , mais n’explique pas vraiment comment une extrados dévie l’air vers le bas, ni ne fournit de moyens de calcul ou de simulation…

La troisième partie de l’article fleuve de Fred introduit la théorie plus récente de et (deux suédois) basée sur les (un autre français et un autre anglais) (un autre suisse) appliquées en 3D plutôt que sur une coupe 2D du profil comme toutes les autres. Selon Hoffman et Johnson, les petits tourbillons qui se créent dans l’axe du flux accentuent la dépression sur l’extrados et y “collent” le flux d’air qui est ainsi dévié vers le bas, créant l’effet d’écope.

Cette théorie fait l’objet de controverses sur le web, car d’un côté Hoffman et Johnson (H&J) considèrent qu’ils réfutent complètement la notion de “circulation” de Kutta-Jukowski (K-J), alors que de l’autre, les tenants de K-J prétendent qu’H&J utilisent des méthodes numériques qui utilisent implicitement la circulation, donc que leurs travaux ne sont au mieux qu’une reformulation de K-J. Un grand bravo à Fred qui a échangé quelques emails avec H&J et plusieurs autres auteurs pour présenter les divers points de vue avec une remarquable neutralité.

Il faut dire qu’à ce niveau, tout le monde fait preuve d’une certaine humilité, car la mécanique des fluides est loin d’être un sujet clos. Par exemple, on ne sait même pas aujourd’hui dans quelle mesure la résolution (numérique) des équations de Navier-Stokes correspond à la réalité physique . Une avancée vers une réponse claire à cette question sera récompensée par un million de dollars dans le cadre des “problèmes du millénaire” de la fondation Clay , donc ce n’est pas une petite affaire.

La fin de la troisième partie revient sur les applications nautiques de la portance. Parce que si vous ne l’aviez jamais réalisé, un bateau à voile peut aller beaucoup plus vite que le vent grâce à la portance générée par sa voile, mais s’il peut naviguer dans (presque) n’importe quelle direction, c’est grâce à la portance de sa quille et des autres éléments immergés, qui crée une force dans une direction différente de celle du vent.

Si ce court résumé vous a intéressé, ne manquez pas de lire les 3 articles complets de Fred (le breton) sur Foilers! Pour vous y encourager, je ferme exceptionnellement les commentaires sur le présent article pour ne pas disperser la discussion sur ce sujet passionnant. Si vous avez quelque chose à dire, ou une question à poser, faites-le sur Foilers!

Références:

Frédéric Monsonnec “Portance” , , sur
David Anderson et Scott Eberhardt “ ” sur Planet Soaring
Anderson, B. D. (2008). . Physics Today.
Luc Armand “ ” ( voir aussi l’ )
Johan Hoffman, Johan Jansson, Claes Johnson, “ ", 2008 ( )
Sonar, T. (2011). . Pour la Science, (403)
Carlson, J., Jaffe, A., & Wiles, A. (2006)." ”. Clay Mathematics Institute + American Mathematical Society
(ajout 26/9/2016) Hoffman, J., Jansson, J. & Johnson, C. “New Theory of Flight” J. Math. Fluid Mech. (2016) 18: 219.

Ces références, plus certaines apparaissant à la fin de l’article de Fred, plus d’autres encore sont regroupées dans le groupe sur Mendeley. Je vous causerai de cette chose très bientôt.

"Saumurite" de la mort filmée en Antarctique

Sat, 26 Nov 2011 00:00:00 +0000

Après avoir vu ça, je me suis dit une fois de plus qu’on vit sur une planète aussi étrange que surprenante:

Plutôt que de réécrire la roue, je traduis ci-dessous l’explication du phénomène ci-dessus donnée sur la .

Comment se forme une “saumurite”*

Dr Mark Brandon,Océanographe polaire,The Open University

L’eau de mer qui gèle ne fait pas de la glace semblable à celle que vous faite dans votre congélateur. Au lieu d’un bloc de glace compact, ça ressemble plutôt à une éponge imbibé d’eau de mer avec un fin réseau de canaux de saumure à l’intérieur.

En hiver, la température au dessus de la banquise peut être en dessous de -20°C alors que l’eau de mer n’est qu’à environ -1.9°C. Un flux de chaleur monte de la mer plus chaude vers l’air très froid, en formant la glace par le fond. Le sel dans cette nouvelle glace est concentré et poussé dans les canaux de saumure. Et puisqu’il est très froid et salé, il est plus dense que l’eau en dessous.

Le résultat est que la saumure coule dans une colonne descendante. Mais lorsque cette saumure extrêmement froide quitte la glace de la banquise, elle congèle l’eau de mer qui entre en contact avec elle. Ceci forme un fragile tube de glace autour de la colonne descendante, qui forme ce qui a été appelé une “saumurite”.

Les “saumurites” se trouvent dans l’Arctique et l’Antarctique, mais l’eau doit être relativement calme pour qu’elles deviennent aussi longues que celles observées par l’équipe de “Frozen Planet”.

La glace rampante

Avec des caméras filmant en accéléré, des spécialistes ont filmé de l’eau salée rejetée de la banquise et coulant. La température de cette saumure étant bien en dessous de 0°C provoque la congélation de l’eau sur une mince coquille autour d’elle.

Là où cette “saumurite” rencontre le fond de la mer, elle forme une toile de glace qui gèle tout ce qu’elle touche, y compris oursins et étoiles de mer.

Ce phénomène inhabituel a été filé pour la première fois par les cameramen Hugh Miller et Doug Anderson pour la série “Frozen Planet” de la BBC 1.

Miller a mis en place l’équipement nécessaire pour filmer la croissance d’une “saumurite” sous la glace de Little Razorback Island, près de l’archipel de Ross en Antarctique.

“Alors que nous explorions les environs de cette île, nous avons découvert une zone qui avait déjà 3 ou 4 saumurites, et une était en train de se former” raconte Mr. Miller

Les plongeurs spécialistes notèrent les températures afin de revenir sur zone dès que les mêmes conditions se répéteraient.

“C’était un peu une course contre la montre, car personne ne savait vraiment à quelle vitesse elles se formaient.” dit Mr Miller.

“Celle que nous avions vu une semaine avant s’allongeait devant nos yeux, et le processus complet n’a pris que 5 ou6 heures.”

Envers et contre tout

Hugh Miller filmant la saumurite avec tout son matériel (c) D. Anderson

L’emplacement, sous la glace aux large des contreforts du volcan Mont Erebus, dans de l’eau à -2°C, n’était pas facile d’accès…

“Le site était difficile à atteindre. Il était loin du trou et il y avait des passages très étroits entre la glace et le fond”, a expliqué Mr Miller.

“Je m’en souviens comme d’une bagarre.. Et le matériel est très lourd car il doit rester au fond et ne pas bouger pendant de longues périodes”

A part le montage du matériel, les cinéastes ont aussi du gérer les interférences avec la faune locale. Les gros phoques n’ont eu aucun problème à inspecter les lieux en détruisant les saumurites ainsi que l’équipement du tournage. “Le premier accéléré que j’ai fait, un phoque l’a flanqué par terre” dit Mr Miller.

Mais les efforts de l’équipe ont été finalement récompensés par le premier film de la formation d’une saumurite.

Note* : j’ai traduit le néologisme anglais “ ” par “saumurite”, comme “stalactite de saumure”, mais si vous avez une meilleure idée, proposez-la dans les commentaires…

Climat : le graphique qui vaut 10000 mots

Sun, 13 Nov 2011 00:00:00 +0000

En pondant sur le blog que j’ai honte de ne découvrir qu’aujourd’hui, une petite recherche sur l’effet de serre m’a conduit à cet excellent graphique, qui remplace au moins 10000 mots :

, oeuvre de de montre des tas de choses fondamentales, et quelques unes de mes interrogations:

le rayonnement “entrant” dans l’atmosphère est la somme de deux “rayonnements du corps noir” : celui du soleil à 5525 K par le haut, et celui de la Terre à 288 K environ actuellement, par le bas.
L’ozone nous protège des ultraviolets solaires, mais aussi la , qui nous donne ce joli ciel bleu. O3 mérite-t-il d’être considéré comme un méchant à cause de quelques petits pics dans l’infrarouge ?
Le fameux CO2 a deux petites bandes d’absorption des infrarouges solaires, mais il absorbe surtout du rayonnement thermique émis par le sol ! Sa plus large bande d’absorption se trouvant légèrement “à droite” du sommet du spectre terrestre, l’effet du CO2 diminue(ra) lorsque la surface de la Terre se réchauffe(ra), donc si le spectre “bleu” se décale vers la gauche. Serait-ce là un des phénomènes de stabilisation de la température de la planète ?
C’est bel et bien l’eau sous forme de vapeur qui est le principal gaz à effet de serre, non seulement parce qu’il y en a beaucoup dans l’atmosphère (en fait on ne sait même pas combien, tellement ça dépend de la température, de l’altitude et des vents…), mais aussi car ses bandes d’absorption sont nombreuses et larges, entamant le spectre solaire, mais surtout la moitié “froide” du spectre terrestre. Lorsque la Terre connait(ra) une glaciation, l’effet de serre de la vapeur d’eau renforce(ra) celui du CO2 lorsque le spectre bleu se décale(ra) vers la droite.
Le méthane et les oxydes d’azote ont quelques pics d’absorption des infrarouges solaires et terrestres, mais certaines dans des bandes absorbées également par la vapeur d’eau. Le GIEC a-t-il bien pris en compte l’effet de non linéarité qui apparaît lorsque l’augmentation de la concentration de ces gaz n’augmente plus notablement un taux d’absorption et de dispersion proche de 100% à ces longueurs d’onde ?

Allez-y, défoulez-vous dans les commentaires. Avec un peu de chance on y trouvera enfin des références claires aux mécanismes de régulation la température qui refroidiront inévitablement (trop?) cette planète un de ces siècles…

Selon Newton, l'univers serait discret

Sat, 13 Aug 2011 00:00:00 +0000

"An experimental sonic black hole" par "E8 Album HQR Initiative" sur flickr.com

C’est du moins ce qu’illustre Jarmo Mäkelä dans son essai “Is Reality Digital or Analog?” qui a remporté le premier dont il y a quelques mois.

Le texte commence comme une petite nouvelle de S.-F. : le narrateur rêve de rencontrer Sir Isaac Newton après lui avoir envoyé quelques livres et articles sur la physique contemporaine, et il trouve le lendemain une invitation à rencontrer le célèbre physicien le 18 novembre 1700 à Londres, à 3 PM. Ne souhaitant pas “ennuyer le lecteur avec une description détaillée de la manière dont il s’est rendu au rendez-vous”, Mäkelä passe à un compte-rendu de sa rencontre avec Newton, auquel il demande sans ambages : “Alors, la réalité est-elle digitale ou analogique?”. Newton répond sans hésitation “Digital, of course.” - “Comment le savez-vous?” - “Parce que je l’ai calculé.”

Suivent deux pages de vulgarisation très bien faites sur la relativité et la mécanique quantique pour arriver au résultat sur lequel Newton base son calcul : l’ prédite par Stephen Hawking. Les trois pages suivantes sont consacrées à la physique des trous noirs. Elles sont nettement plus techniques et décorées de quelques formules susceptibles d’effrayer les non matheux, mais l’argumentation peut être suivie grâce au texte du dialogue entre les deux physiciens.

En résumé, un trou noir a une masse finie, une finie et la surface de son est elle aussi finie. Pourtant le calcul de la d’un trou noir conduit à des fonctions divergentes qui n’ont pas de réalité physique, à moins de considérer que la surface de l’horizon des événements est constituée d’une somme (finie) de surfaces minuscules. Et puisque l’horizon des événements appartient à l’espace-temps “normal”, alors toute surface dans l’espace-temps “normal” doit être discrète.

une brique d’espace-temps ?

A la fin de son essai, Mäkelä va encore plus loin : à l’ où les notions de distance, de temps et de causalité n’ont plus de sens, son Newton propose de substituer un sorte de “surface de Planck”. Il explique que dans l’espace temps, l’analogue du tétraèdre (4 sommets, 6 arètes, 4 triangles) est un “4- ” appelé aussi ". Cet objet a 5 sommets, et 10 arêtes qui forment aussi 10 triangles, ce qui permet exprimer la longueur des arêtes en fonction de la surface des triangles aussi bien que la surface des triangles en fonction de la longueur des arêtes. Dans un espace-temps découpé en “pentatopes”, les notions de distance et de surface sont interchangeables !

Après cette rencontre extraordinaire, Newton remet à son visiteur temporel un papier intitulé “La théorie complète de la ” à publier au XXIème siècle, mais au moment d’en découvrir l’équation fondamentale, le narrateur se réveille dans son lit…

Je le dis tout net, l’essai de Jarmo Mäkelä est un chef-d’oeuvre. Je n’ai pas la compétence d’en juger la valeur purement scientifique (voir les nombreux à son article si ça vous intéresse), mais du point de vue de la littérature scientifique, c’est une magnifique combinaison de fiction, de vulgarisation et de pédagogie sur un sujet aussi pointu que fondamental. Vous lisez l’anglais ? Alors lisez !

Note: titre changé le 8.8.18 de “… digital” en “… discret” car effectivement plus clair en français

Références:

Jarmo Mäkelä, “ ”, FQXi 2011
George Musser “ ” sur le blog Scientific American
" " sur Zone-Reflex

Combien de décimales de Pi en physique

Sun, 15 May 2011 00:00:00 +0000

A la lecture de “ ”, je me suis interrogé sur le nombre de décimales de réellement π nécessaires en physique. A priori il n’est pas nécessaire de connaitre π avec une précision supérieure à celle d’autres grandeurs mesurées, alors quelles sont les expériences de haute précision faisant intervenir π explicitement ?

N’en ayant aucune idée, j’en ai profité pour tester un site découvert par hasard en y . Je n’ai pas été déçu : en quelques heures j’ai reçu des réponses de très bon niveau, dont celle de que je vous traduis ci-dessous:

Pi est très loin d’être le seul nombre dont nous ayons besoin en physique. Les prédictions théoriques typiques dépendent de nombreux autres nombres mesurés, calculés (ou les deux) que pi.

Cependant, il est vrai qu’on doit substituer la bonne valeur de pi pour obtenir les bonnes prédictions. Donc la bonne réponse à votre question est la prédiction théorique vérifiée avec la plus grande précision que nous ayons dans la physique à ce jour, à savoir le de l’électron.

Dans certaines unités naturelles le moment magnétique anomal de l’électron est exprimé par un facteur g qui est légèrement supérieur à 2. Expérimentalement :

g/2 = 1.00115965218111±0.00000000000074

Theoriquement, g/2 est donné par g/2 = 1 + α/2π + …

où le premier terme α/2π a été obtenu par en 1948, et beaucoup d’autres termes plus petits sont connus aujourd’hui. les prédictions théoriques correspondent aux mesures expérimentales dans la minuscule marge d’erreur; l’incertitude théorique contient l’effet de nouvelles espèces de dont les masses et couplages n’ont pas encore été éclaircies. Ceci nécessite, parmi beaucoup, beaucoup d’autres choses, d’introduire la bonne valeur de π dans la première correction de Schwinger α/2π. Vous avez besoin de 9 à 10 décimales de π pour que cette correction entre dans l’erreur expérimentale.

Donc en pratique, π≈3.141592654 serait OK partout dans la partie testable de la physique. Cependant, les physiciens théoriciens ont évidemment besoin de faire des calculs plus précis s’ils ne peuvent le faire analytiquement, pour voir ce qui se passe avec leurs formules.

Impressionnant, non ? Il faut dire que les sous-sites de utilisent un système sophistiqué de “réputation” donnant peu à peu plus de pouvoirs aux contributeurs constructifs, et écartant les . Certains forums dont je devraient s’en inspirer…

Sinon j’ai aussi reçu un petit commentaire intriguant sous la forme d’une citation (traduite par mes soins):

“Le lecteur pourrait souhaiter suivre le conseil de l’un des auteurs d’ignorer les différents facteurs de V; ils ne jouent pas de rôle crucial. De plus, le lecteur moins ambitieux pourrait aussi souhaiter d’ignorer tous les facteurs de π, l’ainsi nommée approximation du petit cercle.”

Quoi ! Des physiciens osent traiter π d’approximation ? à suivre…

Références:

B. Odom, D. Hanneke, B. D’Urso, G. Gabrielse," ", Physical Review Letter 030801, 2006
Edward W. Kolb , Michael Stanley Turner, “ ", Westview Press, 1994

La réalité est-elle digitale ou analogique ?

Wed, 30 Mar 2011 00:00:00 +0000

"Deconstitutionalisation 29" par maistora sur Flickr

C’est le sujet du , motivé par cette réflexion*:

“Alors que la physique classique - ainsi que le calcul différentiel qui lui sert de fondations - est basé sur les nombre réels et leur ensemble continu de valeurs, la mécanique quantique indique que certaines quantités physiques ne peuvent prendre que des valeurs discrètes et dénombrables. En conséquence, plusieurs approches actuelles des questions fondamentales de la physique et de la cosmologie soutiennent de nouvelles visions de la nature discrètes ou “digitales”. Ce concours d’essais pose cette question : la Nature est-elle fondamentalement continue, ou discrète, et comment ces deux conceptions contradictoires mais très utiles pourraient être réconciliées ?”

Les essais doivent aborder une ou plusieurs des aspects suivants:

Comment un espace-temps ou un autre continuum doté de symétries continues peut-il émerger d’une description “digitale” ?

Quelle est la nature de l’epace ? Comment un univers discret pourrait-il être en expansion sans que sa discrétisation ne devienne évidente ? Ou : devient-elle évidente ?

Quelles sont les implications de minima de longueur, de temps ou d’énergie, et comment pourrions nous les observer aujourd’hui ? Ou : ceci est-il une mauvaise manière de voir la discrétisation fondamentale ?

Un univers infini de quelque manière est-il incompatible avec une description digitale ?

Comment une description digitale est-elle consistante avec l’“écoulement” du temps ? Comment fonctionne la causalité ?

le Monde peut-il est modélisé par ( ou être… ) un calcul digital ? Ou nous amène cette image ?

Les modèles discrets simples comme les automates cellulaires sont-ils des approches efficaces en physique ?

Y’a-t-il une profonde raison fondamentale pour laquelle la réalité doit être purement analogique, ou pourquoi doit-elle être digitale ?

Plus de 100 scientifiques du monde entier ont concouru en soumettant autant d’ . Impossible de les résumer ici, d’autant que je n’en ai parcouru qu’une poignée. Quelques mots sur trois d’entre eux, sélectionnés selon des critères purement subjectifs.

Julian Barbour est le sur “ ”. Voici l’abstract de son essai “ ”

Avec son aphorisme “it from bit”, a prétendu que toute chose physique, n’importe quel “it”, trouve sa véritable existence uniquement dans de l’information susceptible d’être captée par un détecteur via des réponses oui/non à des “bits” de choix quantiques. Dans cet esprit, beaucoup de théoriciens donnent aujourd’hui une priorité ontologique à l’information. Pour tester cette idée, J’identifie trois sortes distinctes d’information et trouve que les choses priment sur l’information. En examinant ce que Wheeler voulait dire par “it” et “bit” m’a conduit à inverser son aphorisme: “bit” dérive de “it”. Je soutiens que ceci affaiblit, mais ne détruit pas nécessairement l’argument selon lequel la nature est fondamentalement digitale et la continuité ne serait qu’une illusion. Il y aurait aussi des implications sur l’interprétation de la mécanique quantique et la nature du temps, la causalité et le monde.

Selon , “ ”. C’est grâce à lui que j’ai (re-)découvert ce concours d’essais car il est l’un des coauteurs de , j’y reviendrai très très bientôt. De plus il travaille pour Wolfram Research, et à part le génial Mathematica et le non moins génial , est l’un des supporters d’un univers digital du type “automate cellulaire” abordé dans son livre (contesté) “ ”. Retour à Zenil : voilà l’abstract de son essai:

Je propose la notion selon laquelle l’univers est digital, non comme revendication sur ce dont il est fait, mais plutôt sur la manière dont il se révèle. L’argumentation se base sur les concepts de rupture de symétrie et de probabilité algorithmique qui seront utilisés comme outils pour comparer la manière dont les structures sont distribuées dans notre monde avec leur distribution dans un univers digital simulé. Ces concepts fourniront un cadre pour une discussion sur la nature informationnelle de la réalité. Je soutiens que si l’univers était analogique, le monde serait principalement aléatoire, le rendant largement incompréhensible. Le modèle digital a cependant une beauté inhérente dans la l’imposition d’une limite supérieure de la puissance de calcul et la convergence vers un niveau maximum de sophistication. Même s’il est déterministe, “digital” n’implique pas que le monde soit trivial ou prédictible, mais plutôt qu’il est construit sur la base d’opérations très simples à petite échelle mais qui paraissent complexes ou même aléatoires à grande échelle, mais seulement en apparence.

Dans “ ” de Stefan Weckbach, c’est clairement le titre qui a attiré l’ingénieur que je suis. Pour moi, , et Stefan Weckbach propose une manière assez simple et séduisante de vérifier si l’Univers est calculé dans un ordinateur : essayer de construire un ordinateur encore plus puissant! En se basant sur de (celui de “ ") , il estime qu’une simulation de l’univers entier depuis le Big Bang nécessite environ 10123 opérations binaires. Or si on arrivait à construire un utilisant environ 500 particules intriquées, il serait capable de réaliser en un temps humainement raisonnable nettement plus que ces 10123 opérations binaires, par exemple pour factoriser un . Si on arrive à faire ça, ça prouve que notre univers n’est pas calculé. Si on n’y arrive pas alors que notre ordinateur quantique fonctionne bien avec moins de 500 particules intriquées, ça voudra dire que notre univers est calculé par une machine pas assez puissante.

Holà ! les vont se réveiller : ça pourrait aussi faire planter le système…

Note* : traductions effectuées par Dr. Goulu dans la mesure de ses modestes connaissances. N’hésitez pas à corriger ou préciser via commentaires svp.

Le temps est-il une illusion ?

Sun, 21 Nov 2010 00:00:00 +0000

C’est le thème du , qui vaut vraiment la peine que vous vous précipitiez dans le kiosque le plus proche. Vous y retrouverez des idées et auteurs déjà mentionnés sur “Dr. Goulu” ou sur “ ", plus de nombreux autres.

Dans “L’instant présent, unique mais banal”, Étienne Klein montre le statut très particulier du présent par rapport au passé et au futur. Physicien suivant une approche essentiellement philosophique et citant notamment “ ” de McTaggart, Klein introduit de façon assez convaincante du temps, selon laquelle seul le présent existe.

L’article de intitulé “Le temps-est-il une illusion ?” est un pont dans l’autre sens entre physique et philo, car Callender est prof de philo mais ‘appuie son discours sur de nombreuses notions de physique. J’ai un peu de la peine à le suivre cependant lorsqu’il prétend que “le temps est passé à la trappe en 1915” lorsqu’Albert a montré qu’il n’existait pas UN temps absolu, ni plus loin lorsqu’il montre qu’une “tranche” d’espace-temps coupée perpendiculairement au temps est plus cohérente et simple qu’une tranche coupée parallèlement au temps. Il me semble que ça doit résulter tout bonnement du fait que dans l’ , le d’une part, et que d’autre part ce que nous appelons “présent” est une …

Egalement, lorsque Callender affirme que l’ est dépourvue de variable temporelle, il me semble qu’il va un peu vite. Pour le peu que j’en aie compris, cette équation décrit toutes les probabilités qu’un Univers dans un état donné passe dans un autre état. Elle décrit donc tous les univers possibles en même temps, ce qui la rend populaire auprès des adeptes des univers parallèles, multiples, superposés et autres mousses d’univers. Mais pour décrire l’évolution du seul Univers dans lequel j’ai le plaisir de vivre, il faut décrire les corrélations entre les événements que nous observons, et comme le reconnait tout de même Callender, il est pratique de “définir une entité nommée temps et tout y relier”. Callender voit ce temps comme purement virtuel, fictif, peut être parce que la notion de seconde ou de durée est effectivement absente des lois de la physique. Pour ma part, je me demande si ce n’est pas simplement un .

A noter que Callender avait participé aux avec “ ”.

Dans “la disparition du temps en relativité”, Marc Lachièze- Rey détaille un peu mieux la profonde remise en question du temps induite par la théorie d’Albert. L’article montre de façon convaincante que la notion de durée n’a plus de sens depuis 1905. Selon la fin de l’article “la relativité à définitivement condamné la plupart des propriétés du temps et des notions qui s’y rapportent. Il y a toutes les raisons de penser que cette disparition est fondamentale” alors que le passage mis en évidence dans le journal est “il y a toutes les raisons de penser que la disparition du temps est fondamentale”, ce qui me semble un raccourci rapide.

Si la relativité a remis en question les notions de simultanéité et de chronologie, c’est en conférant au temps le statut assez rigoureux de dimension dans l’espace de Minkowski… S’il est aujourd’hui possible de formuler une théorie sans temps, voire sans métrique, il me semble qu’il reste à la valider par des observations avant d’enterrer le temps lui-même…

Les auteurs précédents se réfèrent à plusieurs fois à Carlo Rovelli, qui signe l’article “s’affranchir du temps” après “ ” présenté au concours fq(x). Ce professeur de physique à l’Université de Marseille explique bien pourquoi l’existence même du temps est remise en question : “je suis convaincu que pour conceptualiser la temporalité, le devenir et l’évolution d’une manière qui soit compatible tant avec la mécanique quantique qu’avec la relativité générale (…) la meilleure option est d’abandonner la notion de temps toute entière.” Mais Rovelli reconnaît qu’après avoir supprimé le temps pour permettre la fusion des deux théories les plus solides de la physique du point de vue mathématique, il faut pouvoir expliquer notre perception évidente de ce que nous nommons “temps”.

Rovelli commence par distinguer deux classes de phénomènes physiques : ceux dans lesquels le temps peut être inversé sans difficulté, comme le mouvement des planètes et autres systèmes mécaniques, et ceux dans lesquels le temps est irréversible, essentiellement dans les phénomènes thermodynamiques. Il présente ensuite sa conception du “temps thermique”, selon laquelle notre sensation d’écoulement du temps est provoquée par les lois de la thermodynamique. J’aime beaucoup cette idée pour .Le point qui me perturbe, c’est justement cette distinction trop nette entre phénomènes réversibles et thermodynamiques. Un jeu de billard, c’est mécanique ou thermodynamique ? Les orbites des planètes, ça à l’air mécanique, mais à long terme, … L’approche de Rovelli permet-elle de décrire aussi bien les phénomènes évoluant en microsecondes que ceux étalés sur des millions d’années ? Il faudrait que je lise “ ’” pour aller plus loin. (voir aussi “temps de tomita”)

Cette question cruciale de la réversibilité de certains phénomènes et de l’irréversibilité d’autres est abordée par Roger Ballan dans “le paradoxe de l’irréversibilité”. Il y fait le lien entre la “flèche du temps”, la thermodynamique et la théorie de l’information en considérant un gaz formé de N particules confinées dans un volume A puis libérées dans un volume B double, et en montrant que l’augmentation d’entropie chère à correspond à une incertitude croissante sur l’état des N particules.

Tombe de Boltzmann à Vienne par martinroell sur flickr

Je suis resté un peu sur ma faim à la fin car j’espérais un développement de ce lien pour aboutir à une véritable proposition sur la nature du temps.

Le “présent” ne pourrait-il pas être une sorte de “ ” où l’information probabiliste sur le futur se “condense” en certitude sur le passé ? Dans cette vision “no-futuriste” qui est la mienne actuellement, la mécanique quantique décrirait en quelque sorte cette condensation limitée à la surface d’un bloc d’espace-temps qui croît en figeant l’information.

Suit un passionnant article de Marie-Hélène Schune : “Du sens du temps à la violation de la symétrie CP”. (Pour une introduction au sujet, ne manquez pas de (re-) lire mon article “ ” dont je suis très fier mais qui n’a reçu que peu d’écho, à mon grand désespoir ). Mme Schune travaillant au du CERN** (), son article parle beaucoup d’antimatière*, donc de la faible rupture de la symétrie CP. Mais elle explique aussi que la rupture de la symétrie T, donc la direction de la “flèche du temps”, est fondamentalement liée à la CP (puisque la symétrie CPT est absolument conservée). Si je comprends bien, dans un Univers parfaitement symétrique, non seulement la matière et l’anti-matière se seraient annihilés mutuellement au moment du Big Bang, mais le temps n’aurait alors même pas commencé à s’écouler, donc il n’y aurait pas eu de Big Bang…

“Mesurer le temps avec des atomes” de Christophe Salomon est un régal pour les suisses ou tous autres passionnés d’horlogerie. Il y explique le fonctionnement des horloges atomiques au césium actuelles, utilisées pour la définition même de la ainsi que dans les , puis décrit les horloges optiques en développement, qui atteindront des précisions encore supérieures pour des applications plus nombreuses et variées qu’on ne l’imagine.

“Les paradoxes temporels” de Philippe Boulanger décrit les diverses variantes de scénarios rencontrés dans les romans et de voyages dans le temps, ainsi que d’autres paradoxes célèbres liés au temps comme “ ”. Cet article m’a rappelé une réflexion que je m’étais faite en lisant l’excellent “Au pays des paradoxes” de Jean-Paul Delahaye : le temps joue un rôle crucial dans tous les paradoxes, et d’ailleurs en logique, où tous les énoncés se font par étapes, au cours d’un temps très quantifié. Il y a aussi peu de paradoxes “à temps continu” que de raisonnements réversibles dans le temps. Faut que je demande à ce que le philosophe en pense.

Enfin pose LA bonne question : “Peut-on créer une machine à remonter le temps ?” reprise de son livre dont j’ai . Certes la machine envisagée par Davies nécessite une technologie beaucoup plus avancée, de l’énergie en quantité phénoménale et l’accès à diverses bricoles telles qu’un trou noir, mais son propos est de montrer que c’est en théorie possible, pour autant que nous vivions dans un univers-bloc strict (où le futur existe au même titre que le passé et où tout est donc prédéterminé, le libre-arbitre étant une illusion due à notre ignorance) où que nous vivions à la surface d’un bloc no-futuriste.

Et c’est là que je vois l’intérêt de la “proposition” de Paul Davies : elle va dans la direction d’une vérification expérimentale de la nature du temps. On pourra peut-être concevoir bientôt une expérience de physique permettant de départager éternalistes et présentistes. Ce ne sera peut-être pas mon double surgissant d’une spirale colorée pour me serrer la pince, mais peut-être juste une particule piégée dans une “boucle de genre temps”, ou une réalisation subtile d’un , mais au moins on saura…

C’est d’ailleurs ce qui m’a frappé dans cet excellent “Pour la Science” : les défenseurs du temps sont plutôt des expérimentateurs, alors que les théoriciens sont plutôt enclins à l’éliminer parce que sa simplifie les équations de la .

Dans ce contexte, j’aurais bien aimé que écrive aussi un article dans ce journal. Sean tient l’excellent blog “ ” qui m’a lancé sur le sujet du temps, et son essai “ ” au concours fq(x). Il défend le temps dans une et dans où il se livre au même jeu que les présentistes, mais à l’envers : il élimine mathématiquement l’espace des équations de la physique et montre que tout est plus simple et cohérent en ne gardant que le temps comme dimension fondamentale :-)

Ce “Pour la Science” contient encore d’autres articles, notamment sur le temps biologique, neurologique ou en ethnologie, mais si j’avais attendu de les lire avant d’écrire cet article, il n’y aurait plus eu de numéros en kiosque, alors courez !

Notes:

*Le CERN vient d’ailleurs de réaliser une importante avancée dans l’étude de l’antimatière en parvenant à

** Chouette de Marie-Hélène Schune, en particulier le passage sur la direction de recherches

La grande unification des étoiles à neutrons

Sun, 16 May 2010 00:00:00 +0000

En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar dit “Chandra” montra qu’une “naine blanche” s’effondre en formant un corps extrêmement dense. En 1932 James Chadwick découvrit le neutron et Lev Landau pensa immédiatement que lors de l’effondrement, les protons et électrons formant la matière de l’étoile pourraient se retrouver si comprimés que leurs charges s’annuleraient, donnant naissance à une . Les étoiles à neutrons sont des objets défiant l’imagination. Lourds comme une étoile mais petits comme un astéroïde, la gravité y est environ 100 milliards de fois plus élevée que sur Terre : un objet lâché à un mètre au dessus de la surface s’y fracasse 1 millionième de seconde plus tard à la vitesse de 7 millions de km/h. Il n’y a pas de montagnes sur les étoiles à neutrons. Ce sont les objets les plus lisses qu’on puisse imaginer, l’empilement le plus compact possible des plus petites particules “solides” existantes. En 1934, Baade et (un suisse) montrent que l’effondrement provoque une bien plus violente que les connues alors.

Pulsar PSR B0531+21 de la Nébuleuse du Crabe par Chandra. Crédit : NASA/CXC/SAO/F.Seward et al (cliquez pour plus d’infos)

Quelques années extrêmement prolifiques, et puis presque plus rien pendant des decennies. En astrophysique comme dans les autres sciences, les progrès ne sont pas constants ni même continus, et le hasard joue un rôle important. En 1967, Jocelyn Bell, alors étudiante en thèse sur un sujet bien différent, détecte un signal radio provenant de l’espace avec une régularité de métronome, toutes les 1,337301192269 secondes. Anthony Hewish, son prof, croit d’abord à un problème d’instrument, puis suspecte un signal des petits hommes verts, avant de publier la découverte

\[1\]

. Comme il ne parvient pas à identifier la source du rayonnement, il émet timidement l’éventualité d’un lien avec une “pulsation d’étoile à neutrons”. Curieusement, il semblerait qu’on n’ait pensé qu’alors qu’une énorme étoile tournant très lentement se met à pirouetter au moins aussi vite qu’une patineuse aux Jeux Olympiques lorsqu’elle devient une étoile à neutrons de 10 ou 20 km de diamètre seulement, et que son champ magnétique provoquerait une émission de rayonnement dirigée, un peu comme un phare. Ca méritait un nouveau nom : . Il ne restait plus qu’à vérifier que la de l’an 1054 avait bien donné naissance au pour valider la théorie énoncée 40 ans plus tôt. La découverte fortuite de Jocelyn Bell vaudra à Hewish (et pas à elle …) le prix Nobel en 1974.

Le pulsar PSR B1509-58 par Chandra. Crédit NASA/CXC/SAO/P.Slane, et al. (cliquez pour plus d’infos)

Après quelques décennies d’observation notamment grâce au , nous connaissons aujourd’hui plus de 2000 pulsars dans la Voie Lactée. Il y en a qui tournent vite, d’autres lentement. Il y en a qui émettent des rayons X, d’autres des ondes radio. Il y en a qui ont une “atmosphère” d’une dizaine de centimètres de fer, pour d’autres c’est du carbone pur, du diamant quoi…

\[2\]

Il y en a qui , d’autres presque pas. Depuis 1992, on pense que certains pulsars génèrent un champ magnétique si puissant qu’ils méritent un nom à eux tout seuls : , ce qui veut dire “effaceur de cartes de crédit galactique” en . Le champ magnétique apparait d’ailleurs comme un élément essentiel des pulsars, qui freine leur rotation en fournissant l’énergie du rayonnement selon un processus assez complexe pour que je n’aie pas encore tout bien compris.

Dans un article récent

\[3\]

, Victoria M. Kaspi fait le ménage dans ce zoo avec un diagramme :

Sur ce diagramme dit P-P’ montrant la période des pulsars en abscisse et leur ralentissement en ordonnée, on voit 1674 pulsars radio (points noirs) dont ceux formant un système double avec une étoile normale sont cerclés , 9 et 5 qui sont des variétés de magnétars et qui sont bien ceux qui ralentissent le plus, ainsi que quelques autres pulsars atypiques.

Les lignes en traitillés indiquent l’intensité du champ magnétique en surface en , les lignes en traits mixtes indiquent la “demi-vie de rotation”, le temps après lequel la rotation sera deux fois plus lente. En haut à gauche, il n’y a pas de points car il n’y a pas eu beaucoup de supernova dans notre galaxie ces derniers siècles. En bas à droite, il y a probablement beaucoup d’étoiles à neutrons anciennes, qui ont trop ralenti ou dont le champ magnétique est trop faible pour alimenter une émission de signaux radio. Combien y’en a-t-il ? Mystère. Pourrons-nous les détecter un jour ? Surement !

Référence

A. Hewish, S. J. Bell, J. D. H. Pilkington, P. F. Scott& R. A. Collins, “ ”, 1968, Nature 217, p 709 - 713
Wynn C. G. Ho, Craig O. Heinke, “ ”, 2009, Nature, Vol. 462, p. 71–73
Victoria M. Kaspi, “ ”, 2010, Submitted to Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

Comment on mesure le rendement des cellules solaires

Sun, 09 May 2010 00:00:00 +0000

De retour d’une conférence sur les énergies renouvelables, Laurent m’a posé cette question simple en apparence, à laquelle j’ai d’abord répondu naïvement : on mesure la puissance électrique fournie par une cellule photovoltaïque (PV) éclairée par une puissance lumineuse donnée; le rapport des deux, c’est le rendement*:

évolution du rendement de différents types de cellules PV (mise à jour le 26.5.2015)Cliquer pour la dernière version en haute résolution

Mais après étude, c’est nettement plus compliqué. Les valeurs de rendement publiées par les constructeurs sont mesurées en laboratoire en “conditions de test standard” (STC en anglais):

La mesure se fait en maintenant les cellules à 25°C. Le rendement des cellules diminuant de 0.1% à 0.5% par °C, le rendement effectif en plein soleil estival lorsque les cellules atteignent 60°C est nettement inférieur au rendement affiché par les fabricants. A noter que les ont un rendement qui augmente avec la température.
éclairement de 1000W/m², soit environ le maximum sous nos latitudes. Plutôt que d’utiliser le vrai soleil, capricieux et qui chaufferait les cellules, on éclaire les cellules par un flash de étalonné par un . Une lampe de 1000W de puissance électrique permet de tester une cellule “standard” de 156x156 mm.

spectre “ ”, correspondant à celui de la lumière solaire après avoir traversé 1.5 épaisseur de l’atmosphère, soit lorsque le Soleil est à 48.2° du zénith. Le rayonnement du Soleil correspond grosso-modo à celui du à 5800°K, mais l’atmosphère filtre certaines longueur d’ondes. Le graphique ci-dessous montre bien l’effet de l’ozone sur les UV, ainsi que celui des gaz à effet de serre dans l’infrarouge : eau, H2O, monoxyde de dihydrogène et un tout petit peu de CO2. Mais ne digressons pas. En laboratoire, on utilise des filtres placés devant la lampe au xénon pour obtenir un véritable simulateur de Soleil.

Les conditions standard de test ne se rencontrent donc jamais dans la réalité, puisqu’il n’existe nulle part sur la planète où on obtient 1000 W/m² lorsque le Soleil est à 48.2° du zénith, à fortiori lorsqu’il ne fait que 0°C, froid nécessaire pour que la température des panneaux ne soit que de 25°C.En réalité, les performances varient beaucoup en fonction des conditions et selon le type de cellules.

De plus, il semblerait que les fabricants de cellules sélectionnent leur plus beau silicium pour les tests, ou publient les meilleurs résultats obtenus, car les productions d’installations réelles sont systématiquement inférieures de quelques pourcents aux valeurs .

En fin de compte, l’information la plus fiable sur le rendement réel provient de bases de données telles que , qui répertorient les données et résultats fournis directement par les propriétaires d’installations solaires.

Note ajoutée le 26.5.2015 : ou plutôt l’ si on veut être précis

Sources :

, NIST
Standard Test Method for Electrical Performance of Photovoltaic Cells Using Reference Cells Under Simulated Sunlight
Calculateur d’énergie solaire de la CE

Gyroscopes d'hier et de demain

Fri, 09 Apr 2010 00:00:00 +0000

illustration Wikipedia

Mon premier était une simple toupie montée dans une cage articulée : une fois lancée à l’aide d’un bout de ficelle, l’axe de la toupie reste insensible aux mouvements du support de la cage, magique.

L’ indispensable aux pilotes n’était initialement qu’une version motorisée de mon jouet d’enfant, mais Foucault ayant démontré qu’un gyroscope mesurait la rotation de la terre encore mieux que son célèbre pendule , les longs vols d’avions et de fusées ont nécessité la mise au point de sophistiquées, groupant 3 gyroscopes perpendiculaires et tous les capteurs nécessaires pour déterminer les angles de roulis, tangage et lacet de l’engin porteur.

Plateforme inertielle Litton LN3-2A équipant les chasseurs F-104 à la fin du XXème siècle

Le summum de la technologie en la matière a probablement été atteint avec le satellite destiné à vérifier un aspect méconnu de la théorie de la Relativité d’Albert, selon lequel un corps massif en rotation “enroule” l’espace autour de lui. Sa plateforme à inertie

\[1\]

est équipée de 4 sphères de quartz incroyablement précises tournant en lévitation magnétique dans le vide quasi absolu et d’un système de mesure capable de mesurer des rotations de l’ordre du cent-milliardième de degré par heure… Après plusieurs années de mesure et la prise en compte de nombreux effets qui avaient été négligés initialement, on à vérifier une fois de plus que le grand Einstein a désespérément raison.

Comme souvent en technologie, la révolution est venue d’une approche totalement différente, en l’occurrence l’optique. Prenez une bobine de quelques kilomètres de fibre optique. Injectez-y un faisceau laser aux deux extrémités. Si vous faites tourner la bobine sur son axe, l’un des faisceaux devra parcourir un chemin légèrement supérieur à l’autre, et un interféromètre judicieusement placé entre les deux faisceaux pourra mesurer cet écart proportionnel à la vitesse de rotation. Un tel (gyrolaser pour les intimes) ne contient aucune pièce mobile, est plus robuste et moins coûteux qu’un gyroscope mécanique de haute précision, voire plus précis. Après le F-15, ce sont désormais les Airbus 320 et Boeing 777 qui en sont équipés, mais ces appareils sont encore beaucoup trop volumineux et trop chers pour une application aussi indispensable que la manette de jeu de votre console préférée.

La seconde révolution vient de la technologie MEMS (“Micro Electro-Mechanical System”, ) comprenez les puces de silicium intégrant des éléments mécaniques. Depuis quelques années on sait réaliser ainsi des accéléromètres, et depuis peu des gyroscopes (ou gyromètres si vous préférez) à , basés sur la . Il s’agit en fait de ce bon vieux miniaturisé et amélioré : on réalise une sorte de diapason en silicium, composé de deux masses oscillant l’une par rapport à l’autre à haute vitesse. En faisant tourner la puce, les deux branches du diapason se tordent sous l’effet de la force de Coriolis et les deux masses n’oscillent plus dans le même plan. On mesure cette déformation par la variation de capacité électrique entre les masses et le support de silicium, et le tour est joué : un gyroscope de quelques millimètres cubes seulement, vendu autour d’un Euro, assez précis pour éviter que les modèles réduits Made in China du futur ne s’écrasent lamentablement par l’inexpérience de votre petit neveu.

Puce du gyroscope 2D de ST Microélectronics, qui vient d’en commercialiser un 3D

Sources:

, excellente présentation complète de STM, en anglais

Le premier demi-vortex de l'Univers ?

Sat, 28 Nov 2009 00:00:00 +0000

, du laboratoire d’Opto-électronique Quantique de l’EPFL vient de parvenir à créer des “demi-vortex”, un phénomène quantique compliqué prédit par la théorie en 1985. Je ne me risque pas à une explication, me parait très bien pour ceux qui ne sont pas capables de piger paru dans Science. Vous pouvez aussi consacrée à cette découverte par l’émission Impatience de la RSR.

Ce qui m’intéresse dans ce type de phénomènes physiques très fondamentaux, c’est qu’ils ne peuvent pas exister dans la nature, nulle part dans l’Univers. Ils n’ont même jamais pu exister car l’Univers a toujours été trop chaud. Au CERN, on reproduit des conditions qui existaient dans les premières fractions de pouillèmes de seconde après le Big Bang, et depuis l’Univers refroidit, et la physique étudie tout ce qui s’y produit. Mais comme , comme l’endroit le plus froid de l’Univers est baigné par le , les phénomènes qui se produisent proche du zéro absolu dans les labos sont des premières dans l’histoire de l’Univers. A moins qu’une autre civilisation soit plus avancée, quelque part.

Excitant, non ?

Références:

K. G. Lagoudakis et al. “ ”, Science, 13 November 2009, Vol. 326. no. 5955, pp. 974 - 976
" ", News EPFL, 12 novembre
sur Wikipedia (anglais)

Combien d'exoplanètes

Sun, 15 Nov 2009 00:00:00 +0000

Les récemment portent à plus de 400 le nombre de planètes découvertes autour d’autres étoiles que notre Soleil, assez pour commencer quelques statistiques et faire le point sur les progrès rapides en .

Le site fournit les caractéristiques mesurées des exoplanètes connues et de leurs étoiles. J’ai complété ces données sur * en y ajoutant:

les planètes du système solaire pour comparaison
les périodes de révolution ou demi grand axe manquants en utilisant la
une estimation de la température de surface en utilisant la ¹

Le graphique ci-dessous représente la masse et la température de toutes les planètes connues, ainsi que leur taille lorsqu’elle est connue.

La plupart des exoplanètes connues sont de la masse de notre Jupiter (le plus gros point orange le plus à droite) ou bien plus grosses encore. Celles découvertes en premier sont les “Jupiter chaudes” en haut du graphique, et plus récemment on a découvert les nombreuses “Jupiter froides” du bas, ainsi qu’une vingtaine de planètes orbitant dans la “ ” où la vie serait envisageable.

Mais aucune qui ressemble à la Terre.

En fait, le problème vient de la précision encore insuffisante des méthodes et instruments de détection.

La .

C’est la plus performante jusqu’ici. Appelée aussi “spectroscopie Doppler”, cette méthode consiste à mesurer les variations de vitesse de l’étoile qui oscille un peu sous l’effet de l’attraction de ses planètes en mesurant le décalage spectral de la lumière de l’étoile:

Crédit : Observatoire de Paris / ASM Emmanuel Pécontal

En 1995, la première planète extra-solaire a été découverte par et de l’Observatoire de Genève à partir de ces mesures des variations de la vitesse de l’étoile :

Variations de vitesse radiale de l’étoile 51 Peg (Crédit : CNES)

En tournant en 4 jours seulement autour de son étoile alors que sa masse est la moitié de celle de Jupiter, 51 Pegasi b fait varier la vitesse de son étoile de ±60 m/s, et en 1995 on était capables de mesurer ceci avec une précision de l’ordre de ±8 m/s.

Aujourd’hui, l’instrument ² permet des mesures de vitesses avec une précision de ±1 m/s, soit ±3.6 km/h. On peut littéralement voir une étoile se promener à pied ! Mais ce n’est pas suffisant pour voir une Terre, il faudrait encore augmenter la précision de la mesure d’un facteur 10 au moins.

La

Cette technique est théoriquement capable de détecter aujourd’hui des planètes de la taille de la Terre, mais seulement si leur orbite les conduit par chance exactement sur l’axe entre nous et l’étoile. Des instruments comme ou le récent satellite sont capables de mesurer la minuscule éclipse qui se produit alors, et de déterminer ainsi le diamètre de la planète, une information que ne fournit pas la vitesse radiale. En février 2009, Corot a ainsi détecté , une planète de 5 masses solaires seulement, un record…

vue d’artiste du transit de CoRot-7b devant son étoile. On est capables de mesurer nettement la baisse de luminosité…

Mais deux mois plus tard, HARPS reprend la tête de la course avec la découverte de , qui ne fait que 2 masses terrestres, mais orbite extrêmement près de , une étoile 3x plus légère que le Soleil et très peu lumineuse. HARPS y a découvert , dont 2 traversent la zone habitable.

Aujourd’hui et demain, de exploite(ro)nt ces deux méthodes et d’autres plus spéciales pour détecter des planètes de plus en plus petites.

Parmi ces “méthodes spéciales”, l’une mérite d’être citée ici car elle a permis la détection de petites exoplanètes en 1992 déjà, 3 ans avant la découverte de Pegase 51b par mes compatriotes. Il s’agit de l’étude par du pulsar . Ce minuscule résidu de supernova tourne sur lui-même en 6.219 millisecondes, émettant un signal radio d’une régularité qui devrait être parfaite, mais se trouve perturbé par 4 ou 5 planètes, dont .

Période du pulsar PSR B1257+12

Il ne fait pas bon vivre à proximité d’un pulsar, mais PSR B1257+12 nous indique que des planètes se forment partout, et qu’avec un peu de chance et beaucoup d’astuce, on pourra très bientôt découvrir des Terres lointaines. Et elles seront probablement nombreuses : aujourd’hui on estime que 20% des étoiles au moins ont des planètes. Certains chercheurs pensent que ce pourcentage pourrait être de 60% pour les étoiles comparables au Soleil, et il y en a beaucoup.

Parallèlement, on commence à identifier les caractéristiques chimiques des étoiles à planètes, par exemple leur . On pourra ainsi mieux cibler la recherche de planètes, et établir des statistiques à l’échelle de la Galaxie. Très bientôt, on connaîtra enfin un facteur de plus de l’ .

Références:

sur Astrosurf
sur Astrosurf (article très complet)

Note* : mon tableau n’a aucune prétention scientifique, je n’ai fait que remplir les cases vides de celui de pour produire le graphique. En particulier les températures de surface sont très hypothétiques.

Combien de Rendement

Wed, 04 Nov 2009 00:00:00 +0000

Votre banquier et les écolos environnementalistes vous le répètent à l’envi : il faut maximiser le rendement. Le moteur pétaradant de votre voiture du millénaire passé a un rendement inférieur à 30% à cause de , alors que le moteur électrique de votre véhicule du futur est 3x meilleur : 90% de l’énergie électrique qu’on lui donne sert à faire avancer la voiture. Y’a pas photo.

Sauf que.

Nuage de monoxyde de dihydrogène… Photo : Koert Michiels sur flickr

D’abord, pour calculer un rendement, il faut tenir compte de toutes les “sorties utiles” du système, pas seulement de la plus évidente. Les 70% de “perte” d’un moteur à essence sont de la chaleur gratuite qui réchauffe votre habitacle l’hiver et surtout qui tient vos vitres dégivrées. Avec son super rendement de 90%, la (100'000 Euros…) ne permet pas de rouler en hiver! La version 2 promise l’année prochaine sacrifiera environ 3 kW de précieuse puissance électrique pour remplacer doudoune et grattoir… Le même argument s’applique aux ampoules à basse consommation : , et certainement pas du CO2.

Ensuite, il ne faut pas oublier des éléments de la chaine : un moteur électrique a un rendement mécanique de 90%, mais la bonne batterie qui l’accompagne dans une voiture ne restitue que 90% de l’énergie de la charge. Rendement des deux : 81%. Et si on produit l’électricité avec une centrale nucléaire d’un rendement de 30%, le rendement global tombe à 24%. Finalement, les pistons ne sont pas si ridicules que ça…

Mais vous pensiez peut-être produire de l’électricité absolument propre avec ces toutes nouvelles ? Pour les voitures, c’est une . Mais surtout la Terre tourne et l’éclairement maximal n’a lieu qu’au solstice d’été à midi. Sur un an, la lumière moyenne à nos latitudes n’est que 20% de ce maximum. Rendement total du photovoltaïque : 20% de 35.8% = 7%… Idem pour l’éolien : la plafonne le rendement de l’hélice à 60%, mais à un , la puissance moyenne du vent n’est que le quart de la puissance max exploitable. Rendement total de l’éolien : 15%.

Les centrales nucléaires ont effectivement un rendement maximal limité à 30% par le (plus 70% de chaleur qui pourrait être utilisée en hiver), mais elles fonctionnent 90% du temps.

On pourrait rétorquer que, comme seuls environ 5% des atomes du combustible fissionnent, le rendement électricité produite / énergie potentielle du combustible est un lamentable 1.5% à tout casser. Mais même comme ça, l’électricité nucléaire est 2 à 10 fois meilleure marché que les énergies renouvelables.

Mais surtout, l’énergie nucléaire possède une marge de progression du rendement énorme, que n’ont pas les autres sources d’énergie. En principe, on pourrait tirer jusqu’à 20 fois plus d’énergie de chaque kg d’Uranium qu’actuellement. Ou en produire 20 fois plus longtemps, en produisant 20 fois moins de ces “déchets” radioactifs gorgés d’énergie potentielle. Voilà pourquoi le nucléaire est loin d’avoir dit son dernier mot.

Comment palper les molécules de la vie

Sat, 24 Oct 2009 00:00:00 +0000

Excellente présentation vendredi passé au par Sandor Kasas, du (LPMV) de l’EPFL. Il nous a expliqué comment les microscopes à force atomique permettent d’observer, de filmer voire de palper les “briques de la vie” (protéines, enzymes, ADN) en plein action.

Il a commencé par nous expliquer comment fonctionne un , AFM pour les intimes. C’est une évolution du (STM) inventé (en Suisse) en 1981 par et . Ils ont obtenu pour ça le prix Nobel 5 ans plus tard seulement (un record récemment battu par Obama).

Le principe du STM consiste à promener une pointe ultra fine au dessus d’une surface à observer, et à mesurer le “courant tunnel” produit par les électrons passant de l’échantillon à la pointe, ce qui permet de mesurer la distance entre les deux et de produire des images avec une résolution sub atomique. Plus fort encore : en appliquant une plus forte tension entre la pointe et l’échantillon, on parvient à coller un atome à la pointe, puis aller le déposer à un endroit précis, pour réaliser des choses incroyables comme celle-ci:

cercle de 48 atomes de fer déposés sur du cuivre chez IBM. Diamètre = 14 nanomètres. les vagues au centre sont produites par la superposition des fonctions d

Le STM souffre toutefois de quelques limitations: il ne fonctionne que dans un vide très poussé, avec des échantillons conducteurs d’électricité refroidis bien en dessous de 0°C.

poutre flexible de microscope à force atomique, et sa pointe

Ces inconvénients n’existe pas avec l’AFM, qui “palpe” la surface en mesurant avec un laser la nanométrique flexion d’une minuscule poutre portant la pointe, sous l’effet combiné des (attractive) et électrostatique (répulsive). Avec un AFM, on peut observer des échantillons dans l’eau, à température ambiante. On peut observer de la matière vivante !

Sandor Kasas nous a ainsi montré de spectaculaires images de brins d’ADN comme celle-ci, qui sera expliquée en détail plus bas:

image LVPM-EPFL

Mieux encore : on arrive à appliquer des forces très précises sur l’échantillon, en appuyant les quelques atomes de l’extrémité de la pointe dessus. Après avoir déposé des sur un substrat percé, l’équipe du LPMV est ainsi parvenue à mesurer les modules d’élasticité et de cisaillement de ces constituants de la paroi cellulaire !

ADN Topoisomérase II (image : Wikipedia)

Plus fort encore : l’AFM permet de mesurer la force avec laquelle des protéines se lient entre elles, et de mieux comprendre des phénomènes biochimiques inaccessibles jusqu’ici. Sandor Kasas nous a ainsi présenté une étude sur le “complexe snare” , la membrane cellulaire du bout des axones où les neurotransmetteurs sont libérés pour transmettre l’influx nerveux entre les neurones. En mesurant les forces d’adhésion entre les protéines syntaxin 1 (sx1), SNAP-25 (S25) et VAMP 2 (V2), les chercheurs sont parvenus à comprendre comment elles étaient agencées et comment la perturbe le fonctionnement de ces protéines. Wow !

Mais la recherche qui m’a le plus excité est celle qui a produit les images d’ADN plus haut. L’ADN est une très longue molécule : chacune de nos cellules en contient environ 1 mètre, super enroulée en une minuscule pelote, ce qui cause inévitablement des noeuds. Mais des “têtes de lecture” se promènent le long des brins d’ADN pour les décoder ou les , et les noeuds risquent de bloquer ce mécanisme vital.

Heureusement, il y a la . C’est la présence de cette enzyme qui permet à la pelote de la première photo de se dénouer complètement en un petit quart d’heure. On n’est pas encore certains de comment elle fait, mais les chercheurs du LPMV aimeraient bien poursuivre leurs travaux et prouver qu’elle triche en coupant un brin et en le raccommodant après avoir croisé l’autre! Un biologique ! incroyable, non ?

Cette présentation fait partie des 10 meilleures auxquelles j’aie assisté, toutes catégories confondues. Merveilleusement multidisciplinaire, on naviguait en toute confiance entre mécanique quantique et biologie, entre chimie, optique et dynamique. Un régal. Merci Dr. Kasas !

Références:

S Kasas, “ ”, (pdf des slides avec encore plus d’images)
A Yersin et al “ ”, Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), July 22, 2003 vol. 100 no. 15, p 8736-8741
A. Kis, S. Kasas et al “Nanomechanics of Microtubules”, Physical Review Letter, 2002, Vol. 89, Nr 24
Erika Ercolini “Scaling Properties of DNA Knots Studied by Atomic Force Microscopy”, EPFL , 2008

Photons et télescopes

Sun, 11 Oct 2009 00:00:00 +0000

Après des millénaires d’observation du ciel à l’oeil nu, la lunette de Galilée et les grands télescopes nous ont permis de voir des objets beaucoup plus lointains et beaucoup moins lumineux, mais toujours “visibles”.

L’atmosphère diffusant les infrarouges et nous protégeant des rayonnements ultraviolets et à haute énergie, les seuls autres rayonnements que nous pouvons capter au niveau du sol sont les ondes radio et millimétriques. Mais depuis quelques années, les instruments placés en orbite permettent de fournir des informations sur le cosmos qu’il serait impossible d’obtenir depuis le sol.

infographie du CNRS. Cliquer pour pdf haute résolution annoté

Désormais, nous sommes capables de capter les photons de toutes les fréquences, donc de toutes les énergies. Ces instruments combinés aux techniques d’imagerie informatique élargissent le spectre des couleurs visibles à l’œil en produisant des images visibles à partir de rayonnements invisibles.

Voici un petit tour d’horizon des principaux instruments qui complètent Hubble et les télescopes optiques traditionnels, illustré avec les dernières images qu’ils ont fourni.

Dans l’infrarouge, la découverte par d’un gigantesque anneau de poussière entourant Saturne montre qu’on peut encore découvrir des choses surprenantes dans notre propre système solaire. (L’image ci-dessous est un dessin d’artiste, la étant moins sexy, mais il y aura certainement bientôt une image de l’anneau complet)

Dans l’ultraviolet, ce sont principalement et qui scrutent le ciel. Swift a produit une (M31) dans laquelle on peut distinguer 20'000 sources, principalement de jeunes étoiles. Admirez ça :

est le télescope spatial à rayons X le plus productif actuellement. Les rayons X sont produits par des phénomènes très violents, souvent liés aux trous noirs. Récemment Chandra a produit la partie orange de cette image de NGC 6240 :

centre de la galaxie NGC 6240, visible en blanc, rayons X en orange (clqiuer pour plus d’infos)

On distingue au centre deux sources très lumineuses. Il s’agit de deux trous noirs supermassifs qui furent les centres de pour former NGC 6240. Ils se tournent autour en irradiant d’énergie les environs, baignant une bonne partie de la galaxie de rayons X. Dans quelques dizaines de millions d’années, lorsque les deux trous noirs fusionneront , ce sera .

Ce phénomène produira a coup sur une flambée de rayons gamma, la “lumière” la plus violente que l’on puisse imaginer. (anciennement nommé GLAST) et sont les télescopes dédiés à l’observation des , ces événements si violents qu’ils ont été confondus avec des explosions nucléaires sur Terre par les premiers satellites de surveillance militaires. Ils détectent environ , et on ne sait toujours pas exactement ce qui peut en provoquer autant.

Il ne faudrait pas pour autant oublier les radiotélescopes. Après qui ne captait que des signaux, le (VLA) et le (VLBA) fournissent désormais des images “radio” avec une résolution comparable aux télescopes optiques. En combinaison avec d’autres instruments, la permet de mieux comprendre des phénomènes aussi titanesques que les :

jets du trou noir centrale de la galaxie M87 observé par plusieurs instruments (cliquer pour plus d’infos)

Hubble v.2.009

Sat, 12 Sep 2009 00:00:00 +0000

Les premières images prises par le télescope Hubble après son récent lifting ont été publiées, et elles sont… (insérez votre liste de superlatifs favoris ici, moi je n’en ai plus)

La video ( ) montre et décrit (en anglais) toutes . J’en ai choisi une par instrument embarqué sur ce fantastique satellite:

STIS

On commence par le . Le “ ” a été installé en 1997 sur Hubble, et est tombé en panne en 2004. Sa réparation justifiait presque à elle seule la mission de la navette en mai 2009. STIS peut analyser la lumière provenant de nuages de gaz pour déterminer leur composition chimique.

Le montage ci-dessous montre une image d’Eta Carina, une grosse étoile en fin de vie à 7500 années-lumière dont j’ai , et le spectre mesuré par STIS le long de la ligne noire au centre de l’image. On sait ainsi qu’Eta Carina crache dans l’espace des gigatonnes de fer et de nickel qu’elle a produit et qui l’asphyxient. Combien de temps arrivera-t-elle à briller avant d’exploser en supernova ? Quelques années ? quelques décennies ou quelques siècles (mais pas beaucoup plus) ? On en saura plus sur la mort des étoiles grâce à STIS.

COS

Le “ ” est un instrument qui vient d’être installé sur Hubble. Il est destiné à mesurer la composition de l’espace intergalactique, mais il peut aussi être utilisé comme spectrographe sur des sources très peu lumineuses.

COS a été braqué sur les restes d’une supernova ayant explosé il y a 3000 ans à 170'000 années-lumière d’ici. Grâce à COS, on sait maintenant que cet événement a produit du carbone et de l’oxygène en quantités astronomiques.

WFC-3

A ceux qui préfèrent de belles images avec beaucoup de pixels, la “ ” n’apporte que du bonheur. Jusqu’ici les photos de Hubble avaient 1600x1600 pixels, maintenant WFC-3 photographie dans le visible et l’ultraviolet en 4096x4096 et dans l’infrarouge en 1024x1024. Rincez-vous l’oeil avec les Nébuleuses et ou ce

De plus, l’élargissement du spectre capté offre de nouvelles possibilités, comme de classer les étoiles d’un seul coup d’oeil sur des photos comme celle-ci, où on a rendu rouge l’infrarouge et bleu l’ultraviolet :

ACS

Le dernier des 4 instruments de Hubble est tout neuf. La “ ” est en fait une combinaison de 3 appareils:

Une caméra à large champ permettant d’observer une “grande” portion du ciel englobant plusieurs galaxies
Une caméra à haute résolution permettant de détailler une toute petite portion de ciel, comme le centre d’une galaxie. On espère même pouvoir distinguer des planètes extrasolaires avec cette caméro, qui a été équipée d’un pour éviter d’être ébloui par une étoile…
La Solar Blind Camera observe dans l’ultraviolet sans être influencée par la lumière solaire.

ACS a débuté sa prometteuse carrière en photographiant les magnifiques lentilles gravitationnelles Abell 370, à 6 milliards d’années lumière d’ici.

Quoi ? vous ne savez pas ce qu’est une ? Pourtant j’en avais parlé …

Voir aussi :

sur le Cosmographe
sur Bad Astronomy

Comment vole un hélicoptère

Sat, 11 Jul 2009 00:00:00 +0000

La spectaculaire par une “grue volante” est l’occasion de parler un peu de ces merveilles technologiques.

Pour le bateau, visitez le Pour l’hélico, lisez la suite.

Le MI-26 pèse 28 tonnes à vide et peut déplacer une charge maximale de 20 tonnes à l’aide de 8 tonnes de carburant. Ses deux turbopropulseurs de 11’ 240 CV chacun peuvent soulever jusqu’à 56 tonnes au total, via un rotor de 32 m de diamètre formé de 8 pales de 16 m de long.

Si le fonctionnement d’une hélice d’avion est déjà un sujet assez complexe , un rotor d’hélicopère dans lequel l’incidence de chaque pale varie pendant la rotation est un véritable enfer aérodynamique.

Mais dans le cas simple du “vol stationnaire” effectué par une grue volante, on peut cependant considérer que la charge est suspendue sous une hélice simple et quelques calculs donnent

$F=\sqrt[[3]](#ref-3){2\rho S P^2}$

où F est la force axiale générée, ρ la densité de l’air, S la surface balayée par l’hélice et P la puissance des moteurs. Mais une partie de cette puissance est utilisée par le rotor de queue et le fuselage de l’hélico dans le flux du rotor diminue le rendement de l’hélice ce qui fait qu’en incorporant ρ on a en pratique plutôt

$F=\sqrt[[3]](#ref-3){1.4 \rho S P^2}$

Pour le MI-26, avec S=π.16² = 804 m² et P=16.8 MW, on obtiendrait une force de levage F=681

\[kN\]

, soit 69.5 tonnes, nettement plus que les 56 annoncées.

L’explication tient probablement au fait que les 56 tonnes sont réparties sur 804 m², ce qui donne une “charge alaire” de 68.3 daN/m², proche des valeurs au delà desquelles le rendement d’une hélice s’effondre . Intuitivement, pour générer une force plus importante, l’hélice doit soit être plus grande, soit tourner plus vite, soit on doit donner une incidence plus grande aux pales. Avec les deux dernières options, il arrive un moment où la pale suivante traverse de l’air perturbé par la pale précédente, ce qui fait chuter le rendement.

Ceci explique pourquoi les avions à décollage vertical n’ont que peu de succès par rapport aux hélicoptères, qui exploitent de grands rotors offrant un rendement élevé.

Cependant, avec un grand rotor l’extrémité des pales se déplace très vite. Les pales de 16m du MI-26 atteindraient la vitesse du son (env 300 m/s) si le rotor tournait à 3 tours par seconde. Le problème est encore pire lorsque l’hélicoptère avance : d’un côté de l’hélicoptère la vitesse de la pale s’ajoute à celle du déplacement, et de l’autre côté la vitesse de déplacement se soustrait à la vitesse de la pale. Ce phénomène limite la vitesse des hélicoptères autour de 300 km/h, car à 500 km/h une pale irait à la vitesse du son lorsque la pale opposée serait à l’arrêt par rapport à l’air, ne générant aucune portance …

Simulation numérique d’interaction Pale-Tourbillon, document ONERA (2)

C’est pourquoi les rotors des hélicoptères tournent à une vitesse constante. Le pilote ne contrôle pas la vitesse du rotor, mais uniquement l’incidence des pales via un , l’un des plus élégants systèmes mécaniques que l’on puisse voir.

Condamné à tourner très lentement, le rotor des grands hélicoptères comporte plus de pales (8 pour le MI-26) que celui des petits, mais il faut bien comprendre que le nombre de pales n’intervient pas directement dans la puissance d’une hélice, d’hélicoptère ou d’éolienne . Ce qui importe c’est que le compromis entre la vitesse de rotation, le nombre et l’incidence des pales donnant le meilleur rendement dans la plage d’utilisation de l’hélice.

Références:

Ewald HUNSINGER - Michaël OFFERLIN - Matthieu BARREAU “ ” (très intéressant)
" " sur le site de l’ONERA (très joli)
(très pratique)

Gouttes de sable

Wed, 01 Jul 2009 00:00:00 +0000

Prenez une caméra haute vitesse très chère, mettez-la en marche et laissez-la tomber à côté d’un sablier géant de façon à ce qu’elle filme des grains de sable en chute libre. Voilà ce que ça donne :

Etonnant, non ? Avec un liquide, c’est la tension superficielle qui tend à former des gouttes, mais quelle force rapproche les grains pour former des “gouttes de sable” ? Selon qui a réalisé l’expérience

\[1\]

, c’est la qui rapproche les grains, puis des ponts de nanoscopiques s’établissent entre les aspérités des grains, ce qui les maintient liés.

En fin de compte, le sable se comporte comme un liquide dont la tension superficielle serait 100'000 fois plus faible que celle de l’eau. La preuve en images:

Les matériaux granulaires combinent certaines propriétés des solides et des liquides, voire des gaz, au point que certains suggèrent de les considérer comme . Ce domaine de recherche touche de nombreux sujets passionnants comme:

ceux étudiés par
les , un phénomène vraiment étonnant
la simulation de fluides avec des aux

Je ne sais pas comment se termine l’histoire pour la caméra haute vitesse, mais si ça vous intéresse, le propose de nombreux films et le de magnifiques photos de phénomènes rapides.

Référence et Sources:

John R. Royer et al. “ ”, 2009, Nature 459, p.1110-1113
Brandon Keim, “ ”, Wired Science, 24 juin 2009
Mark Trodden, ”, 29 June 2009, Cosmic Variance

10 choses que vous ignorez à propos de Hubble

Wed, 13 May 2009 00:00:00 +0000

J’ignorais aussi beaucoup de choses sur le vénérable mais extraordinaire télescope spatial avant de lire que je résume ici en français pour vous :

1 Hubble a pris la photo la moins lumineuse*

En 2003, l’astronome Tom Brown vers le bord de la Galaxie d’Andromède et a pris une photo avec un temps d’exposition de trois jours et demi. Il a ainsi détecté les étoiles les moins lumineuses d’Andromède (de 31, 10 milliards de fois moins lumineuses que celles qu’ont distingue à l’oeil nu) mais aussi obtenu l’image optique la plus “profonde” de l’univers, que vous pouvez .

2 la Lune n’est pas trop claire pour Hubble.

A part certains détecteurs spéciaux, la plupart des cameras de Hubble peuvent observer des astres lumineux sans risque de destruction, comme le montre , un impact de 90km de diamètre sur la Lune.

Par contre Hubble n’arrive pas à suivre un objet bougeant aussi rapidement dans le ciel que la Lune. les images doivent être prises en “mode embuscade” : on programme Hubble pour qu’il vise la direction où va se trouver le cratère quelques minutes plus tard et au bon moment on fait la photo avec une pose courte.

Ca ne marche pas à tous les coups : en 1999 on a voulu observer , mais le pointage de Hubble n’était pas parfait si bien que la détection d’eau par spectroscopie n’a pas pu être effectuée.

3 Hubble observe la Terre très souvent

En fait Hubble a observé la Terre des milliers de fois, tout simplement pour calibrer ses cameras ! En orbitant à 8 km/s, la Terre défile à toute vitesse. De plus, elle est trop près pour qu’Hubble puisse mettre au point, ce qui fait que les images de la Terre sont floues et “sillonnées”. Mais on peut les pour obtenir la sensibilité de chaque pixel de la camera.

4 Hubble a même observé le Soleil !

Hubble ne peut absolument pas observer le Soleil directement. Le télescope spatial est muni d’un système de sécurité qui l’empêche de se transformer en four solaire vaporisant des millions de dollars de silicium si un faisait une petite erreur de calcul.

Mais Glenn Schneider a exploité de manière originale un système qui utilise la lumière UV solaire pour éliminer des électrons restés piégés dans les détecteurs, et réussi à produire une “image” mosaïque du Soleil. Tous les détails sont , mais c’est pas simple. L’image est de très mauvaise qualité et sans intérêt scientifique, mais montre l’ingéniosité sans borne des expérimentateurs, qui réussissent à tirer d’un appareil plus que ce pourquoi il avait été prévu.

5 Hubble ne peut pas voir les restes d’ Apollo sur la Lune

Pourquoi Hubble n’a-t-il pas fait taire les adeptes de la en prenant des images des sites d’alunissages ? Une raison est que les astronomes ont autre chose à faire que de tenter de faire taire des illuminés qui prétendront de toutes façons que les images sont aussi truquées.

Mais aussi, Hubble ne peut pas voir ces objets ! Ils sont beaucoup trop petits. Ca surprend beaucoup de monde car nous sommes désormais habitués à voir des images ultra nettes de nébuleuses et de galaxies. Mais si ces objets sont très lointains, ils sont aussi très très grands : des années-lumière, ou parfois des milliers d’années lumière de diamètre.

Or les restes du ne font que 4 mètres… Mais la Lune est beaucoup plus proche, n’est-ce pas ? Oui, mais .

La de Hubble est de 0.1 , ce qui correspond à 200 mètres sur la Lune. C’est surprenant, mais il faudrait un télescope 50x plus puissant que Hubble pour voir le LEM sur un seul pixel…

6 Hubble a observé toutes les planètes sauf Mercure.

Pas de problème pour les planètes extérieures à l’orbite terrestre : Hubble a observé , , , , et même .

Mais le système de sécurité mentionné plus haut empêche de pointer Hubble vers Venus et Mercure. La marge de sécurité de 50° a été une seule fois exceptionnellement réduite à 45° pour , à la recherche (infructueuse) de SO2 d’origine volcanique.

Mercure se situe au maximum à 28° du Soleil, trop près pour que Hubble puisse l’observer sans dommages. Mais la sonde est en train de nous en apprendre beaucoup plus sur Mercure que tout ce que nous aurions pu imaginer voir depuis la Terre ou son voisinage immédiat.

7 Hubble n’utilise pas de lentilles. Enfin presque.

19 ans après le lancement de Hubble, il n’est pas rare d’entendre parler de la “lentille de Hubble”, même dans un show produit par le Space Telescope Science Institute, l’agence qui exploite Hubble!

Il faut dire qu’en anglais on utilise le terme “telescope” également pour une à lentilles (un “ ” si on voulait être précis)

Hubble est un “ ” doté d’un miroir de 2.4 mètres, le plus grand jamais hissé en orbite :

En fait même les caméras utilisent des miroirs plutôt que des lentilles, qui absorberaient un peu de lumière mais surtout causeraient de l’ .

Cependant, il y a quelques lentilles à bord : celles des , petits télescopes qui suivent des étoiles “repères” avec une incroyable précision pour maintenir Hubble pointé dans la bonne direction.

8 Tout ce qu’il voit n’est pas intentionnel.

Hubble a plusieurs caméras qui observent différents points du ciel séparés de quelques minutes d’arc. Si l’une est entrain d’observer, disons le centre d’Andromède, les autres voient les environs du centre de cette galaxie, mais n’étaient initialement pas exploitées.

Mais en 1997, une nouvelle mémoire de masse a été installée à bord, et la bande passante étant suffisante pour transmettre les mesures de 3 caméras à la fois, on a lancé le “programme parallèle” : une caméra observe ce qui est visé, et deux autres observent à côté, “au cas où…”

En octobre 1997, Hubble était pointé sur le Grand Nuage de Magellan. La caméra active était la , mais Phil Plait utilisait la en parallèle. En arrivant au boulot le matin, il regardait ce que STIS avait mesuré le jour précédent, en regardant dans des directions jamais observées précédemment.

La majorité du temps, il n’y voyait rien de spécial. mais un jour il vit ceci :

La tache floue est une “nébuleuse planétaire”, un nuage de gaz émais par une étoile mourante, Malheureusement elle avait été découverte précédemment et ne s’appelle donc pas “nébuleuse Phil Plait”, mais il put cependant en tirer quelques conclusions du spectre de l’objet dans une

Et comme il le dit, il ne sait pas ce qu’il trouvera sur son bureau demain grâce au “programme parallèle”.

9 Une camera de Hubble est déjà au musée

Au Smithsonian à Washington DC, vous pouvez voir le (FOS) qui a été démonté en 1997 pour faire de la place à STIS et à

10 Vous pouvez voir toutes les photos prises par Hubble

Depuis son lancement en 1990, Hubble a orbité plus de 100'000 fois autour de la Terre et a effectué un demi million d’observations distinctes. Le public a accès à toutes les images qui ont été prises au moyen de cette .

Mais les images récentes n’y sont pas : elles sont réservées pendant un an aux scientifiques qui ont commandé les observations, ce qui leur laisse une longueur d’avance pour publier leurs travaux tout en fournissant ensuite gratuitement d’innombrables informations utiles à d’autres chercheurs, et de très beaux fonds d’écrans aux amateurs.

Note* : ma traduction initiale de Hubble took the deepest visible light image yet made était Hubble a mesuré la lumière la plus faible, mais un disciple de transmission quantique à un photon par bit a fait ;-)

Collision d'amas

Fri, 17 Apr 2009 00:00:00 +0000

J’aime bien les collisions. Les , les “normales” comme celle-ci où les :

(la réponse est non, même à 1000 km/h, ça ne se soude pas…).

Le cratère est le résultat d’une collision à peine plus violente.

On connait aussi des , phénomènes beaucoup plus lents entre “objets” énormes, mais peu denses, qui s’interpénètrent et mélangent leur gaz et leurs étoiles avant que leurs dans les chocs .

L’image ci-dessous montre “la taille au dessus” en matière de collisions. Seuls les quelques points visibles sur cette magnifique photo sont des étoiles proches, dans notre Galaxie. Les centaines d’autres points ou taches sont autant de galaxies formées chacune de milliards d’étoiles et regroupés en 4 en interaction.

image de MACSJ0717.5+3745,prise par Hubble+Chandra+Keck. Credit: NASA, ESA, CXC, C. Ma, H. Ebeling, and E. Barrett (University of Hawaii/IfA), et al., and STScI.

Les nuages bleus et mauves sont du gaz arraché aux galaxies par l’attraction de leurs voisines, sur des distances qui dépassent très largement la taille des galaxies.

L’ensemble a été baptisé MACS J0717, se trouve à 5.4 milliards d’années lumière de nous et mesure dans les 13 millions d’années lumières de diamètre. Selon , les astronomes vont passer quelques années à analyser cette structure colossale, en particulier pour éclaircir le mystère de la , qui doit jouer un rôle important à cette échelle. Pour le commun des mortels, ça fera un immédiatement.

MIROIR | ЯIOЯIM

Sat, 04 Apr 2009 00:00:00 +0000

Un long article divisés en quelques Pourquois, Comments et Combiens. On commence en douceur:

Pourquoi un miroir inverse-t-il la gauche et la droite et pas le haut et le bas ?

cette question “bête” en soulève deux autres moins triviales :

comment marche un miroir ?
comment définir la “gauche” et la “droite” ?

Un miroir réfléchit simplement la lumière en n’inversant rien du tout : en face d’un miroir, la lumière issue de votre main droite rebondit sur le miroir et arrive à vos yeux par la droite. La lumière venant de vos pieds vous parvient de même par le bas : tout est à sa place. Tout, sauf la “profondeur” : c’est en fait la distance des objets au miroir, autrement dit “l’avant” et “l’arrière” qui sont “inversés” par :

Toby Reflects par Kevin Steele sur flickr

Notre image dans un miroir est donc “retournée comme un gant” : un gant droit retourné devient un gant gauche, comme nos mains dans le miroir .

Même si nous nous regardons dans des miroirs artificiels ou naturels depuis pas mal de miliers d’années, nous avons toujours de la peine à comprendre que la symétrie ne correspond pas à une rotation (sauf dans un espace de dimension supérieur, comme le note ). Ce fait bien n’empêche pas certaines de tenter avec obstination d’orienter leurs mèches de cheveux à gauche ou à droite alors que personne ne les verra jamais comme elles se voient dans un miroir…

Ce qui nous amène à la seconde partie de la question : les notions de “gauche” et de “droite” ont-elles une réalité physique ? Autrement dit, existe-t’il des objets ou phénomènes dont l’image dans un miroir serait impossible ?

On pense tout de suite à l’écriture : un texte vu dans un miroir est illisible, ou du moins pas facilement. Mais ce n’est qu’une question de convention : on aurait très bien pu écrire de droite à gauche comme certaines langues, en utilisant des lettres “retournées” comme dans cette jolie affiche:

Du russe ou du ЯIOЯIM ?

Comment expliquer la gauche et la droite aux extraterrestres ?

Page 15 du message de Dutil et Durand. Le message de paix pourrait-être lu à l envers…

La question de la transmission de cette convention est d’ailleurs un problème intéressant : les messages que certains ont envoyé aux extra-terrestres ( ) sont composés de bits que les destinataires sont censés assembler en lignes et en colonnes pour produire des images en noir et blanc. Comment leur dire que les points doivent être disposés de gauche à droite plutôt que de droite à gauche ?

(On admet qu’on ne dispose pas de points de repère communs avec les extra-terrestres, sinon ça serait trop simple… Disons qu’ils vivent sous une couverture nuageuse perpétuelle et ne connaissent rien à l’astronomie …)

Cette question est équivalente à celle posée plus haut : il suffirait de décrire dans le message un objet ou un phénomène physique dont l’image dans un miroir ne peut pas exister dans la réalité .

Il existe bien quelques objets déroutants en version “miroir”, comme les tire-bouchons “tourne à gauche” vendus dans les farces et attrapes, mais ils sont tous aussi possibles à réaliser que leur version “normale”.

Une molécule chimique ? Il en existe beaucoup qui ont une forme différente de leur image dans le miroir. Par exemple le sucre existe sous forme de qui fait tourner le plan de polarisation de la lumière à droite et sous sa forme . La des molécules détermine donc parfois leur propriétés physiques, mais … tout reste cohérent vu dans un miroir.

Les effets de ces molécules peuvent être très différents selon leur forme dans le miroir : la catastrophe de la est due à l’énantiomère d’un bête calmant, et la L-métamphétamine débouche juste le nez, alors que la D- a d’autres effets…

D-méthamphétamine / L-méthamphétamine

La raison de ceci est que ces molécules interagissent différemment avec les molécules de notre organisme, qui ont elles-mêmes une certaine géométrie plutôt que leur image dans le miroir. Ainsi les êtres vivants sur Terre produisent ou consomme beaucoup plus de D-glucose (ou dextrose) que de L-glucose, et l’ADN présent dans tous les être vivants à la forme d’une double hélice tournant dans à droite. Mais il n’y a pas de raison fondamentale à ceci : la vie a probablement “préféré” une forme plutôt qu’une autre à ses débuts, et cette “brisure de symétrie” s’est propagée par contagion, mais une biochimie “dans le miroir” est parfaitement cohérente.

L’électromagnétisme alors ? Si on fait passer un courant électrique dans une bobine, on crée un champ magnétique avec un pôle Nord et un pôle Sud. Si la bobine est bobinée à l’envers, les pôles Nord et Sud sont inversés.

La main droite, pouce écarté, tient le solénoïde. Le courant sort par les doigts et le pouce oriente le vecteur champ mégnétique.

Oui… mais les notions de pôles magnétiques “Nord” et “Sud” sont tout à fait conventionnelles (jusqu’à ce qu’on trouve un ) : le schéma ci-dessus reste parfaitement cohérent vu dans un miroir.

Combien de fêlures dans les miroirs de la physique ?

Jusqu’en 1956, l’Univers observé dans un miroir était parfaitement cohérent. De fait, 3 des ont une parfaite. Mais en 1956, Mme démontra une concernant la 4ème force, l’ . Lors de désintégration β d’un noyau de Cobalt 60, un électron est émis dans une direction aléatoire. Mais il y en a statistiquement de plus qui part dans la direction opposée à celle du spin du noyau que dans la direction du spin (le spin indique le sens de rotation du noyau). En regardant l’expérience dans un miroir le spin change de sens et l’électron irait très légèrement plus souvent dans la direction du spin, ce qui est contraire à l’expérience. L’interaction faible “préfère” très légèrement la rotation à gauche et on pourrait donc expliquer aux extraterrestres notre convention gauche/droite en leur transmettant ce dessin:

Mais si par malheur nos extraterrestres vivent dans une Galaxie (hypothétique) formé d’ , on a un gros problème : l’antimatière peut également être considérée comme “vue dans un miroir”. Chaque particule de la physique possède son antiparticule dont toutes les caractéristiques sont les mêmes sauf la charge électrique, qui est inversée. Le “miroir” de la “ ” (C comme charge) est très semblable à celui de la symétrie P : toute la physique et la chimie est parfaitement identique avec de l’antimatière qu’avec de la matière, sauf pour l’interaction faible, exactement comme ci-dessus.

Autrement dit, si nos extraterrestres font l’expérience avec un noyau de ce que nous appellerions de l’anti-Cobalt 60 et observent la direction d’émission du , tout marchera parfaitement bien mais ils comprendront absolument tout à l’envers : la gauche et la droite, le signe des charges électriques, les pôles Nord/Sud magnétiques etc. Et la rencontre des deux civilisations fera des étincelles …

Le problème est que notre dessin implique en fait 2 miroirs, le C et le P qui inversent tous deux de la même manière l’expérience, et comme chacun sait, si on regarde notre reflet dans un miroir à l’aide d’un autre miroir, tout se remet en place.

"Two Mirrors" de Steven Scott

On appelle “ ” l’image de l’Univers qu’on obtient en inversant à la fois la gauche et la droite et les charges électriques, et cette symétrie était parfaite. Mais dans les années 1960, on a découvert une très légère brisure de la symétrie CP : la transformation d’un kaon en antikaon est 1 milliardième de fois plus rare que la transformation d’un antikaon en kaon.

Cette nanoscopique (10-9) fêlure a une conséquence pratique assez importante: nous existons.

En effet, c’est la violation de la symétrie CP qui fait que le Big Bang a eu la bonne idée de produire un milliardième de plus de matière “normale” que d’antimatière, et c’est ce milliardième qui ne s’est pas annihilé avec l’antimatière qui constitue tout ce qui nous entoure, sans quoi il n’y aurait pas eu grand chose après “que la lumière soit”.

Comment transformer une caméra vidéo en miroir temporel

Réponse : c’est très facile et amusant :

Même un extra terrestre très différent de nous devinerait assez vite qu’il regarde le film à l’envers parce que beaucoup de phénomènes macroscopiques ont une préférence pour le futur. Ce n’est pas le cas à petite échelle : toutes les interactions entre particules peuvent se produire “en sens inverse” : la mécanique quantique possède une “ ” que l’on retrouve dans les dont .

Voici donc un troisième miroir légèrement imparfait, qui peut se combiner avec les autres ! D’ailleurs, pour réaliser le film ci-dessus, je suppose que la demoiselle qui va “à l’endroit” regarde dans un miroir pour marcher à l’envers sans se heurter à la foule. En quelque sorte, la symétrie PT a permis de rendre le film plus réaliste qu’avec la symétrie T seule.

Mais à propos… pour la violation de la symétrie CP on a dit que la transformation d’un kaon en antikaon plus rare que son contraire, mais si on passe le film de l’expérience à l’envers ? On verra plus de kaons se transformer en antikaons, donc l’Univers observé dans les trois miroirs C,P et T sera parfaitement cohérent avec les observations dans l’Univers “normal”.

La “ ” est aujourd’hui considérée comme une loi fondamentale de la physique car c’est une des rares qui soit compatibles à la fois avec la mécanique quantique et la théorie de la relativité via le principe d’ . Mathématiquement, on a même réussi à montrer que la symétrie T était identique à la symétrie CP et donc que toute violation de la symétrie CP devait causer une violation de T équivalente, et vice-versa.

Les conséquences de la symétrie CPT

Avertissement : dans ce paragraphe, je m’avance un peu en terrain dangereux, mais c’est pour mieux vous faire réagir si vous maîtrisez le sujet mieux que moi …

Une conséquence fondamentale de la symétrie CPT est qu’il est impossible de distinguer:

une particule qui se promène entre les points A et B
son antiparticule qui suivrait la même trajectoire entre A et B, filmée dans un miroir, et dont on passe le film à l’envers (où on la verrait donc aller de B en A)

Si on suppose que comme une , on peut aller un peu plus loin en disant que ces deux observations sont parfaitement indiscernables :

une particule qui se promène entre les points A et B
son antiparticule qui remonte le temps entre B et A, vue dans un miroir.

Donc lorsqu’on reçoit par exemple un sous forme d’un antiproton à haute énergie, ne devrait-on pas vérifier s’il ne s’agirait pas d’un proton généré par un événement futur et qui remonte le temps? Est-ce que des installations comme l’ ont un “miroir” permettant d’observer la brisure de symétrie P qui distingue les deux cas ?

Dans le même ordre d’idée, l’ est décrit par des phénomènes quantiques représentés par des diagrammes de Feynman ressemblant à la figure ci-contre, et qui surviennent des milliards de fois chaque seconde dans chaque millimètre cube de vide de tout l’Univers…

La lecture classique est que 2 particules virtuelles, dont l’une est l’antiparticule de l’autre apparaissent spontanément par les fluctuations du , et leur annihilation mutuelle un court instant plus tard restitue “l’énergie du vide” empruntée par les particules.

Mais là aussi, je me demande comment distinguer cette interprétation de celle d’une particule tournant “en rond” dans le temps : pendant sa phase de retour dans le passé, la particule nous apparait exactement comme son antiparticule allant vers le futur … Existe-t-il une expérience permettant de vérifier la symétrie P du phénomène pour exclure cette interprétation ?

Références:

" " sur le Webinet des Curiosités
Michel Thévoz “L ”
Tom Roud “ ”
Tom Roud “ ”
Tom Roud “ ”

Les Natures du Temps

Sat, 28 Mar 2009 00:00:00 +0000

“Gear Work 2” par Curious Expeditions sur flickr

Les résultats du concours d’essais scientifiques sur “ ” ont été proclamés il y a quelques semaines, sans trompettes médiatiques hélas.

Le premier prix va a pour

Le jury a admiré cet essai pour sa présentation attirante et claire comme le cristal d’un problème de dynamique classique, à savoir de trouver une mesure de la durée de la taille d’un intervalle de temps. L’article débat lucidement et d’une manière historiquement bien informée, qu’un choix approprié d’une telle mesure ne peut être trouvée dans la notion Newtonnienne d’un temps absolu pré-existant, mais émerge plutôt sous la forme d’un temps éphémère, des mouvements obsrvables et de l’hypothèse de la conservation de l’énergie. L’article suggère également comment cette émergence de la durée peut s’appliquer aux problèmes de gravité quantique.*

Le second prix va à pour“ ”

Un problème fondamental en gravité quantique est que , probablement notre équantion la plus fiable en gravité quantique, ne se réfère ni même ne suggère quoi que ce soit à propos du temps oude l’évolution. Dans ce contexte le temps doit émerger sous forme de relations entre un système donné et un autre qui pourrait être considéré comme une horloge. Kiefer décrit (reviews) ce problème de façon magnifique et propose comment, grâce à la “décohérence quantique”, le temps décrit par l’équation de Schrödinger habituelle en mécanqiue quantique peut émerger d’un substrat dépourvu de temps, via l’imbroglio (entanglement) entre les systèmes physiques de l’espace, et la métrique spaciale qui contrôle le mouvement.*

Le troisième prix est décerné à Sean Carroll pour “ ”. (Sean maintient le j’ai découvert ce concours)

Poursuivant sur des développements récents de la théorie des cordes , Carroll a impressionné le jury par un intéressant (exciting) rapport sur comment un espace-temps gravitationnel pourrait en fait n’être qu’une approximation holographique d’une théorie sans gravitation dans laquelle le temps “existerait vraiement” . Observant les difficultés soulevées par d’étranges récurrences dans un univers éternel, il soutient une forte condition sur l’ensemble des états quantiques permis qui interdirait ces répétition. Carroll termine en tenant de réconcilier cette image avec les observations récentes qui indiquent que l’expansion de l’univers accélère, avec des résultats surprenants.

Le premier prix de la communauté, donné par les votes du public, va à Carlo Rovelli pour “ ”.

On le voit, les conceptions modernes du temps en physique sont assez éloignées de l’intuition, et de profondes divergences et interrogations subsistent. Comme le note le jury:

Notez qu’à cause de la difficulté et la subtilité du sujet, il y a eu de nombreuses divergences au sein du jury sur pratiquement tous les essais. La remise d’un prix signifie que le jury reconnait que le gagnant est un essai intéressant et productif pertinent (relevant) : quelque chose qui est bien écrit, dérangeant, stimulant, amusant, etc. Il ne doit pas être supposé que les membres du jury ont cru que l’approche soit complète, sans faute, exempte de critique etc.

datant d’environ un siècle, je crois que je vais lire ou relire quelques-uns de ces essais en essayant d’y comprendre quelque chose …

Note* : Les paragraphes en italique sont des traductions effectuées par votre serviteur, qui n’est pas un spécialiste… Les corrections et précisions éventuelles sont les bienvenues.

Moteurs homopolaires

Sat, 14 Feb 2009 00:00:00 +0000

Yves m’a soumis une nouvelle colle : comment fonctionne ce moteur électrique ultra simple, formé de 4 pièces y compris la batterie ?

La pièce cruciale est le petit aimant cylindrique collé sous la tête de la vis. Plus il est puissant, mieux c’est car c’est la qui fait tourner le moteur : cette force (en vert sur l’illustration ci-dessous) est perpendiculaire au champ magnétique (bleu) et au courant électrique (violet) par la “règle du tire-bouchon”

Explication et illustration par Evil Mad Scientist Laboratories

Les plus malins auront noté que la vis ne sert à rien, donc qu’il devrait être possible de réaliser un moteur en 3 pièces seulement : un pile, un rotor et un stator. La preuve:

Il existe une foule d’ dits “homopolaires” désormais très accessibles grâce à la disponibilité d’ (c’est pas pour faire de la pub, mais s’ils veulent bien m’en envoyer quelques uns…)

Références:

H. Joachim Sschlichting, Christian Ucke, “ ”, 2004, Phys. Unserer Zeit Nr. 6 p 272, Wiley-VCH Verlag
" " sur EvilMadScientist.com

Recyclage galactique

Wed, 04 Feb 2009 00:00:00 +0000

Si vous croyez toujours qu’une galaxie n’est qu’un disque d’étoiles qui tournent autour d’un trou noir supermassif qui les avale une à une, regardez cette image :

la galaxie NGC 5128 et ses lobes de gaz éjectés par son trou noir central

est une galaxie assez proche (15 millions d’années lumière), bien visible dans l’optique mais aussi dans les fréquences radio. Elle se classe donc dans les “ ” sous le nom de “Centaurus A”. On savait déjà que l’émission d’ondes radio de ces galaxies, qui peut atteindre une puissance de 10^39 Watts (!!!) est provoquée par les , plus exactement par leur rencontre brutale avec le gaz très diffus qui entoure les galaxies.

L’image ci-dessus combine en fait des mesures faites avec 3 instruments différents dans 3 domaines du spectre électromagnétique:

l’image optique vient du au Chili
les zones oranges correspondent aux ondes radio submilimétriques mesurées par le au Chili aussi
le rayonnement X, représenté en bleu, a été mesuré par le

On y distingue les jets du trou noir, en particulier celui en haut à gauche, dont on a mesuré la longueur (13'000 années lumière) et la vitesse initiale (c/2). Mais on voit aussi que les jets ne sont pas infinis : ils créent des ondes de choc et des volutes de gaz, qui ne peuvent rien faire d’autre que retomber lentement dans le disque galactique pour y être recyclées en étoiles fraiches dans quelques millions d’années.

Cette magnifique preuve supplémentaire que les est promue ipso facto non seulement au rang d’ “ ” mais à celui de “fond d’écran du mois” par votre serviteur.

Le Problème à N corps

Sun, 16 Nov 2008 00:00:00 +0000

Le “problème à N corps” consiste à déterminer le mouvement de N masses sous l’effet des forces d’attraction gravitationnelles entre elles.

Pour N=2, Newton savait déjà que les décrivent des ellipses autour de leur centre de gravité commun.

Pour N=3, : une toute petite différence dans les positions et vitesses initiales des corps pouvait causer de très importantes différences dans la trajectoire des corps. Cependant, malgré ce que beaucoup croient, il existe une solution analytique au problème des trois corps découverte en 1909 par . Elle n’est cependant pas utilisable en pratique pour des calculs.

Pour plus de 3 corps, il n’existe pas de solution analytique. Ceci signifie entre autres qu’il n’est pas possible de démontrer la stabilité d’un système avec quelques corps, comme le Système Solaire par exemple. Des mathématiciens comme ou s’y sont cassés les dents : rien ne prouve que les planètes suivront toujours leurs orbites actuelles dans quelques centaines de millions d’années. Encore moins qu’un astéroïde viennent percuter notre belle planète beaucoup plus tôt.

Simulation du Système Solaire sur Univers Sandbox, N~20

Il est aujourd’hui facile de simuler quelques millions d’années d’évolution du Système Solaire sur un PC, par exemple avec , le chouette programme dont j’ai . Comme on connait avec une très grande précision la position, la vitesse et la masse des planètes et de leurs principaux satellites, on estime que l’on peut calculer leur position dans 5 millions d’années à 150m près. Pour arriver à cette précision, mais aussi tout simplement pour réaliser une simulation réaliste, il faut tout particulièrement veiller à la utilisée, pour garantir la conservation de l’énergie totale du système. Selon , la méthode de donne les meilleurs résultats.

D’autre part, pour chacun des N corps, il faut calculer les N-1 forces exercées par les autres corps. Au total, il faudra calculer

\[N.(N-1)\]

/2 forces (le /2 vient du fait qu’il suffit de ne calculer qu’une fois la force entre deux corps). On dit que la complexité est O(N²) : il faut effectuer un nombre d’opérations proportionnel au carré de N. Pour quelques dizaines de corps, ça ne pose aucun problème, mais si l’on veut simuler des galaxies ou même la collision de galaxies avec N=1'000'000, on se retrouve avec mille milliards de forces à évaluer, ce qui nécessite beaucoup de temps de calcul.

Simulation de la future collision de la Voie Lactée et d’Andromède, N=100'000'000

On pourrait se dire qu’une petite étoile à un bout de la galaxie n’attire pratiquement pas une autre petite étoile très distante, mais négliger cette force n’est pas une bonne idée. D’une part, l’énergie totale du système ne serait plus conservée, et d’autre part il faudrait trouver un critère permettant de savoir quelles forces sont négligeables, sans les calculer.

ont proposé en 1986 un algorithme dont la complexité est O(N.log N). Pour N=1'000'000, il n’y a environ que 20'000'000 de forces à évaluer, ce qui rend le calcul possible. L’algorithme consiste à diviser l’espace en une structure arborescente appelée et à y répartir les corps. On ne calcule les forces qu’entre les corps situé dans la même zone de l’octree, puis l’algorithme calcule les interactions entre les zones. Reste une difficulté : en se déplaçant, les corps changent de zone, et l’algorithme nécessite d’adapter l’octree de l’adapter à la distribution des corps.

interaction de 2 amas de 50 galaxies. N=160'000

Dès 1987, a développé un algorithme baptisé “ ” (FMM), dont la complexité est O(N) seulement, et qui ne nécessite pas d’adaptation de la division de l’espace utilisée. Il est assez facile d’ , mais en 3D l’interaction entre zones est beaucoup plus complexe.

La FMM est considérée par certains comme l’un des algorithmes les plus importants du XXième siècle, car il peut être appliqué à des problèmes beaucoup plus généraux que les N corps, comme certains problèmes de ou de . Inutile de dire que je vais regarder ça de plus près …

Références:

, le logiciel développé par Barnes et Hut, site avec énormément de liens sur le domaine
Dossier “ ” sur AstroSurf
sur la Wikipedia
à Berkeley
: code VPython
sur Wikipedia
Guy Blelloch and Girija Narlikar “ ” Parallel Algorithms. Series in Discrete Mathematics and Theoretical Computer Science, Volume 30, 1997.
, une librairie de simulation N corps parallélisée sur GPU (processeur graphique)
: comparaisons et implémentation sur super ordinateurs

Logiciels N corps sur PC:

: le plus beau et le plus fun
: utilise l’alogrithme de Barnes Hut
, un peu ancien

Voyage au coeur d'un trou noir

Thu, 09 Oct 2008 00:00:00 +0000

Alain Riazuelo est astrophysicien à Paris et il a eu l’excellente idée (et les moyens) de simuler ce qu’un observateur verrait en s’approchant d’un trou noir, puis en plongeant dedans. Ainsi est né le film “Voyage au coeur d’un trou noir” dont voici un petit extrait :

La simulation est d’excellente qualité visuelle, la seule critique que je me permet d’émettre concerne le réalisme : les trous noirs tournent, et même très vite, ce qui engendre des effets qui ne sont pas représentés dans cette simulation. De plus, ils sont souvent entourés d’un disque d’accrétion et d’autres phénomènes très violents qui seraient très intéressant de visualiser, peut-être dans une suite (Le retour de la vengeance du trou noir …)

Le commentaire du film est très didactique, comme on le constate dès le début visible . Au total, il dure 38 minutes et il est disponible sur un DVD à prix très modique (3€90) auprès de Sciences et Avenir ( )

Liens:

sa donnée au Laboratoire d’Annecy de Physique des Particules en novembre 2007 (pdf, 34 Mo).

La FAQ du LHC

Fri, 12 Sep 2008 00:00:00 +0000

Quelques questions fréquemment posées à propos du LHC du CERN :

C’est quoi, un hadron ?
D’où viennent les protons ?
Combien y’a-t-il de protons qui tournent ?
Combien de temps les protons passent-ils dans l’expérience ?
MeV, GeV, TeV ???
Violent comme une collision de moustiques … ou de trains ?
Comment font les protons pour tourner dans des sens différents ?
ALICE

C’est quoi, un hadron ?

Logiquement, le LHC aurait pu s’appeler LPC, pour “large proton collider” parce qu’on y fracassera prochainement des protons les uns contre les autres. Mais plus tard, on va également y accélérer des noyaux de plomb, formés de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons appartenant à la famille des (ce sont plus précisément des ), on a trouvé que LHC, ça sonnait bien. Moi j’aurais préféré un nom plus poétique comme “tournicoton” ou “femto-banger”, mais on ne m’a pas demandé mon avis.

D’où viennent les protons ?

Le proton forme le noyau de l’atome le plus simple : l’hydrogène, qui est aussi de loin l’élément le plus abondant dans l’Univers. On en injecte un tout petit peu dans le “ ” dessiné ci-dessous par le “Gas feed”. Dans la “plasma chamber”, l’hydrogène est tellement chauffé par un arc électrique que les protons et les électrons qui leur tournent autour se séparent.

schéma du Duoplasmatron Proton Ion Source du CERN.

Au milieu de ce plasma se trouve la cathode et au bout du canal étroit, l’anode. Entre les deux on applique par impulsions une tension de 92'000 volts, ce qui accélère les protons en direction de la droite, et les électrons vers la gauche, où ils se font manger. Les électroaimants en vert servent à regrouper les protons le plus possible en un faisceau, mais ils arrivent par gros paquets à l’anode. L’ “expansion cup” les dilue un petit peu, de sorte qu’à la sortie on a de beaux trains de protons.

Tout ça n’est pas gros du tout, voici une photo du dispositif avec une bouteille d’hydrogène qui devrait suffire pour quelques années de fonctionnement :

Combien y’a-t-il de protons qui tournent ?

Il y a 2808 paquets de protons qui tournent en même temps dans le LHC dans chaque sens, et chaque paquet contient 100 milliards de protons. Au total, il y a un dix-milliardième de gramme de protons répartis sur les 27km de tube.

Combien de temps les protons passent-ils dans l’expérience ?

schéma des accélérateurs du CERN

Quand un proton quitte sa source, il traverse un premier petit accélérateur linéaire, le “linac” qui l’accélère à 50 MeV en quelques microsecondes, et entre dans le “Proton Synchroton Booster” (PSB) qui l’accélère à 1.4 GeV en 530 millièmes de seconde. Puis il est injecté dans le “ ” (PS), un accélérateur de 628m de circonférence datant de 1959. Là il est accéléré pendant environ 1 seconde. Il est déjà presque à la vitesse de la lumière, donc il parcourt 300'000 km pendant ce temps, soit près de 500'000 tours. Dans certains cas, le proton reste encore 1 seconde de plus avant d’être passé au SPS. Le “supersynchroton à protons” (SPS) est un accélérateur de 7 km de périmètre datant de 1976 ou les paquets de protons attendent entre 10.8 secondes et 0 secondes, ce qui permet de regrouper 4 paquets venant du PSB en un seul, prêt à passer dans le LHC. Jusqu’ici les protons ont passé entre 6 et 18 secondes environ dans l’antichambre de la bête.

Puis, les 2808 paquets de protons sont injectés un à un dans chaque sens du LHC pendant 20 minutes à une énergie de 450 GeV et quand ils se suivent bien gentiment à une distance de 7.5 mètres les uns des autres et que tout est stable, on met la gomme pendant 25 minutes pour atteindre les 7 TeV

MeV, GeV, TeV ???

L’ (eV) est une unité à tout faire. A la base, c’est la minuscule énergie d’un électron accéléré par une tension de 1 Volt. Mais selon la célèbre équation d’Albert E=mc2 lue à l’envers, m=E/c2, la masse d’une particule peut aussi être mesurée en électron-volt (divisés par la vitesse de la lumière au carré, mais on laisse souvent tomber ce détail). Ainsi, un proton au repos à une masse de .938 GeV (Giga-électron-volt) et dans le LHC on l’accélère à 7 TeV (Tera-électron-volt) soit 7000 GeV.

Comme Albert s’obstine à dire que l’énergie et la masse c’est la même chose à un facteur près, ça signifie qu’à la vitesse correspondant à cette énergie (99.999999% de la vitesse de la lumière, “huit neufs” comme j’appelle ça dans “ ”), tout se passe comme si le proton pesait plus de 7000x son poids au repos. Le choc n’en sera que plus violent.

Violent comme une collision de moustiques … ou de trains ?

Même multipliée par 7000, la masse d’un tout petit proton n’est que de 1.2477-23 Kg, mais il va très vite. En se fracassant contre un autre l’énergie libérée est de 226'961 Joules, soit 0.063 KWh pour parler en unités d’énergie plus habituelles. C’est vraiment pas beaucoup, mais c’est extraordinairement concentré dans un minuscule pouillème d’espace.

D’un autre côté, le LHC devrait produire environ 2 milliards de telles collisions par seconde, et ça, ça correspond à une puissance telle que j’ai du me planter quelque part dans les calculs…

(La suite date du 16/9/2008)

Heureusement est venu à la rescousse : On parle de 600 millions de collisions par seconde. Au maxium, une collision est de 14 TeV (2 fois 7 TeV). 1 eV est égale à 1,602e-19 Joule. On obtient alors par seconde :

14e12*1,602e-19*600e6 = 1 345 Joules / sec = 1 345 Watt

Donc le LHC fournit une puissance (de collision) égale à environ 1,3 kW… Pas de quoi fouetter un chat mais c’est fabuleux quand on regarde la masse d’un proton.

Concernant l’énergie d’un faisceau LHC à 7 TeV, on obtient pour les 2808 bunches contenant 100 milliards de protons: 2808*100e9*7e12*1.602e-19 = 314 889 120 Joules

Donc l’énergie contenu dans le faisceau est de 350MJ (ca fait un TGV de 400 tonnes à 150 km/h).

L’énergie emmagasinée dans les aimants supraconducteurs pour faire tourner et focaliser les faisceaux est quant à elle gigantesque : on obtient un total de 11 GJ dans les aimants du LHC (de quoi faire fondre une demi tonne de cuivre).

Comment font les protons pour tourner dans des sens différents ?

D’abord, comme on le voit sur une figure précédente, les protons accélérés dans un seul sens dans le SPS sont transférés au LHC par deux chemins différents illustrés en rouge.

Pour tourner en rond dans les deux sens, les faisceaux de protons doivent être courbés par 1232 (8.3 Teslas, 11'850 Ampères, 35 tonnes / pièce …), mais qui doivent générer des champs inverses pour les deux directions .

Comme on le voit sur la coupe ci-contre, il y a en réalité 2 bobines supraconductrices pour chaque sens de circulation, avec des pôles N et S inversés, ce qui crée des lignes de champ illustrées sur l’image suivante :

Ce qui peut paraitre surprenant aussi c’est que le champ est orienté haut/bas et pas horizontal. Il faut se souvenir que ce n’est pas le proton qui est attiré par l’aimant, mais que c’est le courant électrique créé par son déplacement linéaire qui interagit avec le champ magnétique de l’aimant, ce qui crée sur les protons une force perpendiculaire au déplacement par la règle du tire-bouchon.

A noter que ce ne sont pas des aimants qui accélèrent les protons, mais des “cavités accélératrices” dans lesquelles règne un champ électrique de 6000V/m. Chaque cavité ne fonctionne que sur un seul sens.

(La suite date du20/9/2008)

ALICE

ALICE est l’un des 4 détecteurs installés aux 4 points ou les faisceaux se croisent. “Alice”, c’est l’acronyme de “A Large Ion Collider Experiment” : une expérience de collision de grozions gros ions. Les ions en question sont des noyaux de plomb contenant 82 protons que le LHC accélèrera une fois par mois environ au lieu de protons.

L’énergie des noyaux sera de 82 x 7=574 Tev, mais ça ne fait “que” 574/208 = 2.76 TeV par nucléon, à cause des neutrons. On aura donc des collisions plus énergétiques, mais des densités d’énergie moins élevées. Le but d’ALICE est d’étudier la purée quarks+gluons, en particulier des questions comme :

A quoi ressemble la matière chauffée à 100'000 x la température au centre du soleil ?
Pourquoi les protons et les neutrons pèsent 100x plus lourd que les 3 quarks dont ils sont constitués ? (et ça c’est une vachement bonne question…)
Peut-on libérér les quarks collés (par les gluons) dans les protons et les neutrons ?

D’autres questions ?

Posez-les dans les commentaires et on tentera d’y répondre.

Références:

C.E. Hill “ ” CERN, Geneva, Switzerland
l’inévitable
au cea : plein d’illustrations intéressantes
et aussi

Les trous noirs : des moteurs de l'Univers ?

Sat, 06 Sep 2008 00:00:00 +0000

Dans l’imaginaire collectif alimenté par les mauvais films de SF, les trous noirs sont des monstres qui avalent tout ce qui les entoure. En fait, ils recyclent, transforment et éjectent probablement beaucoup plus de matière qu’ils n’en absorbent.

Rappelons tout d’abord que les trous noirs sont des “astres” tellement massifs que même la lumière ne peut s’en échapper. Il en a trois familles:

les trous noirs stellaires, formés à la fin de la vie d’une étoile massive. Ils pèsent comme plusieurs soleils
les trous noirs “supermassifs” qui siègent au centre de la plupart des galaxies, voire toutes .
c’est tout. Les minis trous noirs qui n’existent pas ;-)

Concentrons-nous sur les premiers en supposant que d’un coup de baguette magique, le Soleil se transforme en trou noir là, maintenant, sous nos yeux ébahis. Ca ne peut pas arriver, mais imaginons. Que se passerait-il ?

Evidemment, il ne brillerait plus, et ce serait bien ennuyeux. Mais la bonne nouvelle c’est qu’il n’avalerait pas la Terre, car sa masse serait toujours la même, simplement il ne serait plus qu’un point au centre du Soleil actuel. Sa force d’attraction resterait pratiquement la même, donc la Terre, Mars, Vénus et toutes les autres planètes continueraient gentiment de lui tourner autour sur leurs orbites respectives.

Pas un désintégrateur

Qu’est-ce qui pourrait tomber dans le trou noir alors ? Pas grand chose. Actuellement le Soleil a un diamètre de 1.4 millions de kilomètres et il arrive assez fréquemment qu’une comète, un astéroïde ou des petits cailloux se vaporisent en l’approchant de trop près. Mais une fois “trounoirisé”, il faudrait que ces projectiles arrivent tout droit dans une cible de moins de 10 km de diamètre pour être agglomérés au trou noir : aucune chance.

En réalité c’est plus compliqué. Plus haut, j’ai dit que la force d’attraction resterait “pratiquement” la même, parce qu’en passant d’un diamètre de 1.4 millions de kilomètres à moins de 10 km, la rotation du Soleil accélèrerait monstreusement, et c’est un euphémisme. Au lieu d’une rotation en 26 jours, le Soleil trounoirisé pirouetterait plusieurs centaines de fois par seconde, devenant une sorte de fraise de dentiste stellaire, enroulant littéralement l’espace alentour :

Donc pour tomber dans le trou noir, la matière doit arriver “tout droit à côté”, selon des géodésiques comme celle tracée en rouge sur la figure. Un petit écart et la matière, sera éjectée à une vitesse prodigieuse sur une orbite totalement aberrante selon les lois de la mécanique classique. Mais au passage, elle sera broyée menu par les “forces de marée”.

Générateurs de gaz

A 100 km de notre trou noir, la force d’attraction est titanesque : 13 milliards de Newtons sur une masse de 1kg ! de quoi l’accélérer 0 à 100 km/h en 2 milliardièmes de secondes, et à près de la vitesse de la lumière en 23 millièmes de seconde chrono. Mais 1 mètre plus loin, à 100.001 km, l’attraction est inférieure de 265 KN. Donc une barre d’acier trempé qui passerait par inadvertance à une distance relativement confortable du trou noir serait étirée et transformée en kilomètres de fil à couper le beurre en une milliseconde, et en atomes de fers relativistes une fraction de seconde plus tard.

Les choses deviennent plus intéressantes si un trou noir traverse un nuage de gaz : là, en tombant en spirale vers le trou noir, les atomes accélérés à des vitesses fantastiques vont s’entrechoquer, se freiner mutuellement dans un plasma visqueux qui tourne autour du trou en formant un “disque d’accrétion”. Ce sont ces disques d’accrétion, très lumineux particulièrement dans les rayons X, qui permettent de détecter directement les trous noirs.

Petit à petit, comme l’eau de la baignoire qui se vide, la matière du disque d’accrétion devrait tomber peu à peu dans le trou. Mais une fois encore, ce n’est pas si simple.

D’abord, les étoiles ont des champs magnétiques, et lorsqu’une étoile s’effondre, son champ devient incroyablement puissant et forme une sorte dynamo qui éjecte dans l’espace des de gaz par ses pôles nord et sud. Les trous noirs supermassifs émettent ainsi de la matière à des distances prodigieuses, recyclant de la matière depuis le centre des galaxies vers leur périphérie, comme on le voit bien sur les clichés récents de

Générateurs d’étoiles

D’autre part, selon des simulations récentes, des grumeaux peuvent se former en bordure des disques d’accrétion et se retrouver éjectés, formant des étoiles massives, qui ne vivent pas très longtemps

Bien sur, une simulation peut être tès jolie mais simuler des phénomènes inexistants, mais là ça tombe plutôt bien : autour du centre de la galaxie d’Andromède toute proche, on a détecté un anneau d’étoiles massives jeunes, et autour du centre de notre propre Galaxie aussi, il y a beaucoup plus d’étoiles jeunes que la normale….

Conclusion

En quelques années, on est passés de l’idée étonnante qu’il pouvait peut-être y avoir des trous noirs au centre de quelques galaxies à celle que les galaxies se sont probablement formées autour des trous noirs supermassifs. Désormais, ces objets fascinants apparaissent comme des moteurs de l’univers d’une puissance fantastique, bien plus recycleurs qu’aspirateurs.

Références

Rachel Courtland “ ”, NewScientist.com, 21 August 2008
I. A. Bonnell, W. K. M. Rice “Star Formation Around Supermassive Black Holes”, Science 22 Aug 2008: Vol. 321, Issue 5892, pp. 1060-1062 DOI:
David L Chandler “ ”, NewScientist.com 20 September 2005
Didier Jamet “ ”, Ciel des hommes, 29-01-2002
Jonathan Ferreira “ ”, cours de Magistère et Maîtrise de Physique, OBSERVATOIRE DE GRENOBLE, LABORATOIRE D’ASTROPHYSIQUE, UNIVERSITE JOSEPH FOURIER, Novembre 2000

Universe Sandbox

Sat, 06 Sep 2008 00:00:00 +0000

J’ai découvert il y a une heure, et je viens de l’acheter (pas cher). C’est génial !

C’est un logiciel de simulation astronomique très bien fait et simple d’emploi. Il permet de visualiser en 3D de nombreux systèmes astronomiques comme notre système solaire, Saturne avec ses anneaux et ses nombreuses lunes, ou encore l’amas d’étoiles auquel appartient notre Soleil, mais aussi des Galaxies entières.

Mais le plus amusant, c’est de l’utiliser comme un jeu et de voir ce qui se passerait si Jupiter pesait soudain autant que le Soleil, ou si la Lune avait un anneau comme Saturne.

On peut le télécharger et l’essayer pendant une heure, aidé par un tutorial très bien fait après quoi il faut payer un montant de son choix pour obtenir une licence. Une heure c’est court, mais très efficace : après 30 minutes, j’ai payé.

Monstre de Spaghetti Galactique

Sat, 23 Aug 2008 00:00:00 +0000

NGC 1275 est la galaxie spirale bleue que vous distinguez au centre de cette photo prise par le télescope spatial Hubble. Les filaments rouges mesurent chacun dans les 20'000 années-lumières de long et 200 de diamètre, et contiennent chacun environ 1 million de masses solaires de gaz tellement chaud (des millions de degrés) qu’il émet des rayons X.

La grande question était de savoir ce qui émet ces jets, les chauffe et maintient dans ces formes tentaculaires qui les empêche de retomber sur la galaxie.

Une équipe de l’Université de Cambridge a montré que c’est le trou noir supermassif au centre de NGC 1275 qui la matière qui s’approche trop non pas sous forme de , mais sous forme de “bulles” qui sont ensuite déformées et maintenues sous forme de filaments par les champs magnétiques du trou noir.

Mais tant de puissance et de beauté font que certains entrevoient une ..

sources : et

Suites, Courbes et Théories

Sat, 23 Aug 2008 00:00:00 +0000

(une des bannières du Guardian. A utiliser sans modération. Cliquer pour plus)

Si je vous dis “quel nombre vient après 1,2,3, ?” vous allez certainement dire immédiatement “4”.

Si je vous dis réponds “non, c’est 5. Quel est le suivant ?” vous allez probablement penser aux nombres premiers et me dire “7” (oubliant au passage que 1 n’est pas considéré comme premier, alors qu’il pourrait l’être pusiqu’il ne se divise que par 1 et par lui-même…)

Et là si je vous dis “non, le suivant est 8. Et celui d’après ?” vous allez peut-être vous rappeler de la , dans laquelle chaque nombre est la suite des deux précédents : 1,2,3,5,8 et donc proposer 13 comme nombre suivant. Si je voulais pousser le bouchon, je pourrais et dont beaucoup continuent avec un autre nombre que 13, et répéter l’expérience encore plusieurs fois.

Le point essentiel est qu’il existe une infinité de courbes distinctes passant par des points donnés. Ce qui distingue ces courbes, c’est les points qui ne sont pas donnés, ou pas encore. Ceci est hyper important et super fondamental, rappelez-vous toujours de ça. Par exemple lorsque des financiers vous proposent des placements en vous montrant les belles courbes croissantes de leurs rendements sur les X dernières années, vous les projetez mentalement dans le futur, au risque de vous faire avoir comme ci-dessus.

Ce même principe peut être appliqué aux théories scientifiques. Je me restreins ci-dessous à la physique, mais le raisonnement me semble fondamental dans la démarche scientifique en général.

Si on prend tous les résultats de toutes les expériences scientifiques réalisées depuis Archimède dans sa baignoire jusqu’aux dernières photos de Hubble en passant par la pomme de Newton et l’éclipse d’Einstein et qu’on réduit ces résultats à des nombres* que l’on alignerait sur l’axe du temps, les théories scientifiques proposées pour expliquer les phénomènes observés correspondent à des courbes passant par certains de ces points :

celles qui ne passent que par un seul point sont des idées qui ont mal tourné, genre “comme les oiseaux qui volent ont des plumes” (1 fait expérimental) “si je me colle des plumes et que je saute d’une tour, je vais voler … “. La courbe ne passe pas par le point prévu mais par un autre : “sauter d’une tour avec ou sans plumes fait très mal”.
celles qui passent par quelques points, mais plus du tout par les suivants, comme la et bien d’autres.
celles qui passent par beaucoup de points, et juste à côté de certains autres, comme la gravitation de Newton qui décrit parfaitement la plupart des phénomènes de la mécanique terrestre et céleste, mais est juste un peu fausse pour tout ce qui est très lourd ou va très vite, et très faux pour les petites particules.
celles qui passent par au moins la moitié de tous les points connus. La mécanique quantique et la relativité couvrent chacune une bonne moitié de la physique actuelle, avec des points de contact toujours plus nombreux.
les “ ”, qui passent par tous les points mesurés par la physique. C’est beaucoup plus facile que ce qu’on croit car rappelez-vous, il y en a en principe une infinité, parmi lesquelles :
- la
- la
- la
- la
- la
- la théorie de
- les
- les
- Dieu a créé l’Univers il y a 5000 ans (ou 5 minutes selon une autre théorie) en faisant tout pour qu’on croie que l’Univers a surgi du Big Bang il y a 13 milliards d’années.
- le , légère variante de la précédente.
- et encore beaucoup d’autres

Avant de hurler parce que j’ai osé les mettre toutes à égalité, lisez bien la suite. Certaines de ces théories font des courbes bien lisses et cohérentes, d’autres font des acrobaties et assènent des postulats pour coller à certains points, mais leurs adhérents sont inattaquables : ils ont réponse à tout puisque leur théorie correspond à la perfection à tout ce qui a été observé jusqu’ici.

Le seul moyen de les distinguer, c’est sur les résultats qu’elles prédisent au sujet d’expériences qui n’ont pas encore été réalisées. La gravitation de Newton, la relativité et la mécanique quantique sont des théories extraordinairement fortes pas parce qu’elles collaient aux mesures, mais parce qu’elles se sont révélées capables de correspondre aux expériences menées pendant des decennies après leur formulation.

En reprenant les théories de tout ci-dessus, certaines jouent le jeu scientifique et sont prêtes à être validées ou invalidées prochainement au CERN ou ailleurs. Celles qui postulent un avant-Big Bang ou des univers parallèles sont invérifiables à très long terme, voire définitivement. D’autres nécessitent l’expérience de la mort pour une ultime vérification, mais au moins on saura (ou pas…).

Mais la palme de la démarche anti scientifique revient probablement plus aux qu’aux cré(a)ti(on)nistes : en gros ils exigent de ne surtout pas faire d’expérience qui leur donnerait raison, car elle provoquerait une catastrophe définitive. Et évidemment, ils ne proposent pas d’autre expérience permettant de valider leur théorie sans danger. Ca c’est du courage.

*Note : il y a plusieurs manières de faire. On peut faire un “checksum” genre CRC-32 du compte rendu de leurs expériences, ou faire un très grand nombre binaire en mettant toutes les informations à la suite etc.

Naissance des étoiles et mécanique des fluides

Fri, 22 Aug 2008 00:00:00 +0000

Les méandres de la science et l’interconnexion des domaines me laissent souvent pantois. Hier soir par exemple, je m’intéressais à la simulation (qualitative) d’écoulement des fluides, .

La méthode utilisée ne se base pas sur l’intégration des ; la “ ” (SPH) divise le fluide en sphères qui se déplacent et se modifient en fonction de leurs voisines les plus proches. Et ceci a visiblement donné une idée à , chercheur en astrophysique à l’Université d’Exeter : la SPH ressemble drôlement à la résolution du , très utilisée pour simuler la trajectoire de nombreux corps célestes…

Mais en plus de simuler un amas d’étoiles qui se tournent autour, la SPH permet de représenter le gaz qu’elles dispersent dans l’espace en se frôlant, et qui en se re-condensant forme de nouvelles étoiles au sein de magnifiques nébuleuses:

Matthew Bate a même simulé la formation d’un amas d’étoiles à partir d’un nuage de gaz initial presque homogène:

Une telle simulation a tout de même nécessité plus de 1000h de calcul à 64 CPUs, donc ce n’est pas encore tout à fait du temps réel, mais ..

Eclairs au ralenti

Sat, 16 Aug 2008 00:00:00 +0000

Grâce à , je viens de voir “ ”, un court reportage de Science Friday (SciFri pour les intimes) consacré à la foudre. Le passage le plus intéressant et spectaculaire concerne les travaux de Tom A. Warner de , qui est parvenu à faire des montrant en particulier les “précurseurs” de la foudre :

les précurseurs ionisent l’air en établissant des canaux ou la résistance électrique est plus faible. Ils se promènent aléatoirement, à environ 200km/s. Le premier qui touche le sol établit le canal principal ou la va se produire presque instantanément.

je me demande si la ne serait pas liée à ces précurseurs : vus de loin, ça y ressemble pas mal …

Grosse découverte grâce à Galaxy Zoo ?

Sat, 09 Aug 2008 00:00:00 +0000

Il y a quelques temps, , un projet permettant aux internautes de participer à l’analyse des milliards de galaxies photographiées par Hubble.

Le 13 août 2007, Hanny van Arkel, une institutrice hollandaise de 25 ans à : “c’est quoi le truc bleu en dessous ?” à propos de cette image qui lui avait été soumise :

Le grenouille bleue en dessous de la galaxie centrale a été baptisée “voorwerp” par Hanny, le mot hollandais pour “objet”. Mais personne n’a pu lui répondre sur sa nature.

ont montré que la grenouille n’était pas bleue mais verte, et qu’elle était approximativement à la même distance de la galaxie au centre du cliché, baptisée IC 2497, et qu’elle est constituée de gaz ionisé à 10'000° environ et non pas d’étoiles.

Le “Hanny’s Voorwerp” a reçu les honneurs de la NASA lorsque le grand téléscope des Canaries a pris cette photo, devenue “ ” le 25 juin 2008 :

L’hypothèse actuelle est que le Hanny’s Voorwerp est une gigantesque “ ”, un nuage de gaz éclairé par le (qu’on appelle alors un quasar), mais qui serait désormais “éteint” depuis 100'000 ans. Si c’est le cas, il pourrait y avoir beaucoup de ces nuages de gaz extragalactique, mais ils ne deviendraient visibles que dans des conditions très particulières.

Mais quel phénomène a pu créer un nuage si énorme, et qu’est-ce qui lui donne cette forme étrange et notamment ce trou entre les “bras de la grenouille” ? Les supporters de la matière noire et de l’énergie sombre sont sur le coup, et peut-être que Hanny Van Arkel restera dans la postérité comme la découvreuse d’une nouvelle classe d’objets célestes.

Ca aurait pu être vous, si vous partiticpiez à …

Le rap du LHC

Sat, 02 Aug 2008 00:00:00 +0000

m’a indiqué un clip de rap sans blacks couverts de chaines ni nombrils à l’air, mais probablement le plus instructif qui soit :

et aussi de magnifiques images du CERN

\[slideshare id=792633534435766241\]

La densité des trous noirs

Fri, 20 Jun 2008 00:00:00 +0000

Black hole on Earth, par Revilla sur flickr

A la fin de sa vie, une étoile s’éteint et s’effondre sur elle-même : en quelques minutes, la gravité compacte sa matière en une sphère de plus en plus dense, jusqu’à une limite qui ne dépend que de la masse de l’étoile:

si l’étoile résiduelle* pèse moins de 1.4 x la masse du Soleil, elle devient une : ses atomes (pratiquement que du carbone) sont serrés les uns contre les autres au maximum permis par la physique. Un jour, le Soleil deviendra une naine blanche approximativement de la taille de la Terre, et sa densité sera d’environ 1 tonne / cm3. Pas mal.
si l’étoile résiduelle* pèse plus de 1.4 masses solaires au stade précédent, la gravité écrase ses atomes, et les protons des noyaux deviennent des neutrons quand les électrons coincés les touchent : il ne reste qu’une boule de neutrons incroyablement serrés les uns contre les autres, de 20 à 40 kilomètres de diamètre seulement, et d’une densité d’un milliard de tonnes / cm3. C’est vraiment dense, une .
s’il y a plus de 3.3 masses solaires résiduelles* de neutrons (il faut une étoile initiale d’environ 10 masses solaires), la gravité écrabouille les neutrons, en fait de la purée de quarks comprimée, qui s’effondre jusqu’à former un .

Le terme de “trou noir” désigne fondamentalement un objet générant une gravité si forte que même la lumière ne peut s’en échapper, mais ceci recouvre deux notions :

l’ “objet” lui-même, qui doit être extrêmement lourd ou dense pour générer un champ de gravité intense. Or en théorie, la purée de quarks peut s’effondrer en se comprimant indéfiniment, jusqu’à la taille d’un point infinitésimal baptisé .
la zone de l’espace d’où la lumière ne peut pas sortir, donné par le qui définit l’ “horizon des événements” du trou noir, à l’intérieur duquel on ne peut rien voir. Or ce rayon est directement proportionnel à la masse de l’“objet” et la constante de proportionnalité vaut environ 3km par masse solaire, ce qui fait que le plus petit trou noir stellaire possible a un rayon de Schwarzchild de 10km environ.

Donc la notion de densité d’un trou noir dépend de quoi on parle : la densité de la singularité est par définition infinie, mais si l’on considère la densité moyenne à l’intérieur du rayon de Schwartzchild, elle n’est “que” de 1.75 milliards de tonnes / cm3 pour le plus petit trou noir stellaire possible, pas beaucoup plus dense qu’une étoile à neutrons.

Là où ça devient intéressant, c’est que les trous noirs plus massifs ont une densité moyenne plus faible car le volume “noir” augmente comme le cube de la masse. Le pèse 2.6 millions de masses solaires, ce qui lui donne un rayon de 7.7 millions de km (seulement 10x plus gros que le Soleil, donc !).

Un petit calcul et hop : la densité moyenne du centre de notre galaxie est de 2.8 kg/cm3. Oui, des kilos, pas des tonnes. Et , qui fait 100 millions de masses solaires ? Re petit calcul et hop : 295 millions de km de rayon, 2 grammes par cm3, juste le double de celle de l’eau ! Et il y a des trous noirs encore plus gros.

Petit intermède publicitaire : cet article aurait été encore plus inexact sans , la calculatrice gratuite pour PC, Mac et pingouin. Dotée de plein de fonctions utiles et de constantes aussi indispensables que la masse et le rayon du soleil, est la calculatrice qu’il vous faut !

Pour , calculons le rayon de Schwartzschild d’un soi-disant “trou noir” (avec guillemets) produit par le choc frontal de deux protons dans le . Il a une masse de 14 protons, soit 4,7.10-50 masses solaires (d’où les guillemets plus haut…) ce qui donne un “rayon de Schwartzchild” de 1,4.10-46m. C’est petit. Tellement petit que c’est environ 1'000'000'000'000'000'000'000'000'000'000 x plus petit que les protons qui se téléscopent… En fait, il n’est même pas permis d’être si petit, car c’est plus petit de la . Mais une chose est sure : un objet aussi dense que vous voulez, mais plus grand que son rayon de Schwartzchild n’est pas un trou noir.

Maintenant, on est d’accord sur une chose : la collision de protons si rapides peut créer une densité localement élevée. 14 masses de proton dans 1/10ème de volume de proton, ça donne à peu près 140x la densité d’une étoile à neutrons, soit effectivement une densité qui ne se rencontre nulle part dans l’Univers actuel. Mais ce n’est pas la densité qui fait le trou noir, c’est la masse, et la taille du rayon de Schwartzchild qui va avec.

Note* : les mots “résiduels” ont été ajoutés suite au commentaire de Guillaume pour bien distinguer de la masse initiale de l’étoile “normale”, qui est nettement plus élevée avant son passage en supernova.

Peut-on voyager dans le temps ?

Thu, 19 Jun 2008 00:00:00 +0000

C’était la question abordée dans une récemment par , et à laquelle il a répondu NON, trop vite à mon goût. Il faut dire qu’Etienne Klein est physicien et philosophe, et que sa conférence mêlait un peu les deux aspects de la question. De plus, le titre de son livre “Le facteur temps ne sonne jamais deux fois” ne laissait que peu de doute sur son opinion sur le sujet. (Je me suis permis d’illustrer cet article avec l’image de la couverture, que je trouve excellente)

Voyage vers le futur

Klein a commencé par introduire deux conceptions philosophiques opposées du temps en physique , , , :

le “présentisme”, qui correspond à l’intuition selon laquelle seul l’instant présent “existe” alors que le passé n’existe plus et le futur pas encore.
l’ “éternalisme”, ou théorie de l’ “Univers-bloc”, qui considère que tout ce qui existe est déterminé dans un espace comportant donc que le passé et le futur existent au même titre que le présent, qui n’est que la “tranche” (cônique) d’Univers que nous percevons , , , .

J’ai rapidement compris que j’étais éternaliste, et suspecté que Klein était présentiste , dès qu’il a mis en garde ceux qui voudraient “se téléporter vers le futur, car peut-être qu’il n’existe pas encore”.

Dans son avertissement, c’est surtout le mot “téléporter” qui m’a dérangé : pourquoi le voyage dans le temps supposerait-il une discontinuité, un saut “instantané” qui est par ailleurs interdit dans les déplacements spatiaux ? D’ailleurs même la première “ ” imaginée il y a plus d’un siècle par H.G. Wells ne “saute” pas : son passager parcourt le temps en accéléré, en avant ou en arrière.

Or il existe au moins 4 moyens physiquement envisageables pour voyager de manière continue vers le futur:

attendre ! En fait, le plus difficile est de ne PAS avancer dans le temps à la vitesse d’une seconde par seconde ;-) …
L’attente “accélérée” en orbite autour d’une grande masse. Le temps propre (donc le “vieillissement”) d’un voyageur tournant autour d’un astre très massif est ralenti très légèrement, voir beaucoup à proximité d’un trou noir par exemple. C’est prouvé par les satellites GPS entre autres .
A défaut de trou noir à proximité, le produit le même effet. Il est d’une difficulté technique certaine, mais on sait déjà que ça marcherait : les horloges atomiques des GPS le prouvent aussi .
L’hibernation. Bon, on ne sait pas (encore) le faire sur des humains, mais des êtres vivants plus simples peuvent sauter un hiver, une saison sèche ou même de nombreuses années pratiquement sans vieillir.

Le problème du voyage dans le temps est donc essentiellement celui du …

Voyage vers le passé

A priori, un “voyage vers le passé” déclencherait toute une série de violations de principes physiques :

La conservation de la masse ou de l’énergie : en retournant hier, il y aurait 2 copies de moi, le voyage ajouterait 100 kg à l’Univers…
la conservation de l’information : je vais 1h dans le futur lire la fin de cet article sur le web
\[Ctrl-C\]
et je reviens le copier là
\[Ctrl-V\]
: qui l’a écrit, finalement ?
Mais surtout, la violation de la sacro-sainte Causalité, qui introduit tous les paradoxes soulevés dans la science-fiction de bas de gamme : le voyageur de temps qui tue accidentellement sa grand-mère etc.

Etienne Klein place la Causalité en principe absolu de la Physique et de la Logique philosophique. Dès lors, le voyage dans le temps est impossible car l’Univers ne permet pas son viol (celui de la Causalité … ) .

Pourtant, l’éternalisme permet de contourner cette difficulté de plusieurs manières, et je regrette que Klein ne les ait pas abordées dans sa conférence:

La “ ”. Géométriquement du moins, on peut dessiner des courbes fermées dans l’ à 4 dimensions, et conformes à la relativité d’Einstein. , le plus extraordinaire mathématicien du XXème siècle a même réussi à faire douter Einstein de la relativité en proposant son “ ”, à la fois relativiste et permettant le voyage dans le temps. Ce sujet est tellement intéressant que je vais lui consacrer un article spécifique, mais à ce stade ce qu’il suffit de savoir c’est qu’une particule qui tournerait en rond sur “boucle de genre temps” ne violerait pas la causalité, tout simplement en n’interagissant pas avec le reste de l’Univers.
L’abandon du libre arbitre. Si on admet que l’Univers est un bloc dans lequel le futur existe au même titre que le présent et ne peut pas plus être altéré que le passé, alors le problème ne se pose pas car ni le voyageur, ni aucun être humain ne peut réellement influer sur l’avenir, à plus forte raison modifier le passé. C’est certainement ce qui me dérange le plus dans l’Univers-bloc (mais l’être humain à une tendance naturelle à l’anthropocentrisme, donc à se croire doté de facultés spécifiques comme le libre-arbitre, peut-être qu’un peu de modestie lui ferait du bien). Deux de mes histoires de voyage dans le temps préférées sont liées à cette question:
1. dans le génialissime film “ ” (ne lisez pas la suite si vous ne l’avez pas vu…) un voyageur temporel est en fait la cause du problème qu’il était censé résoudre.
2. une très courte nouvelle lue il y a longtemps et dont je recherche la référence. En deux mots, l’humanité fabrique à grands frais une machine à voyager dans le temps. Un voyageur soigneusement sélectionné est envoyé 1 siècle dans le futur. A son retour (instantané) on lui demande comment c’était. Il dit “je ne sais plus!” On lui demande comment ça se fait. Il dit “je me rappelle qu’on m’a bien accueilli, tout montré et expliqué, et qu’au moment de rentrer on m’a proposé de m’effacer la mémoire…et j’ai dit oui !”

Trous de vers

Comme Klein, je pensais les voyages dans le temps absolument impossibles jusqu’à lecture de “How to build a time machine” de désormais disponible en français . Maintenant je pense qu’ils sont seulement impossibles en pratique, mais que le fait qu’ils ne soient pas absiolument formellement impossibles pour des petites particules dans des conditions très spéciales est intéressant à étudier du point de vue théorique.

C’est pourquoi j’ai été très déçu d’entendre Klein ranger la machine de Paul Davies, basée sur la création puis l’agrandissement d’un “trou de ver” permettant une boucle de genre temps, au rang de machine à générer des ventes pour Science & Vie, alors qu’il a quand même publié dans Pour la Science ( ) !

De plus, cette “machine” répond bien à une objection souvent entendue au sujet du voyage dans le temps et reprise par Etienne Klein : si c’était possible, il devrait y avoir des visiteurs du futur parmi nous, descendant de machines assez spectaculaires pour qu’on les remarque. En fait, les “machines” basées sur les boucles de genre temps dans un univers bloc ne permettent pas de remonter avant leur construction, et même pas de choisir facilement la date d’arrivée. L’idée est que le trou de ver mettrait en “contact” deux points de l’espace, puis l’une des extrémités du trou “vieillirait moins vite” que l’autre grâce à des effets relativistes, disons d’un facteur 100. Ainsi, après la création de la machine, il faudrait attendre 100 ans pour pouvoir revenir de 99 ans vers le passé, un an après la création du trou de ver. Pour voyager vers le futur, la date d’arrivée dépendrait exactement de la date de départ : en partant 2 ans après la construction, on arriverait 200 ans dans le futur, 3 ans - 300 ans etc.

Donc en résumé, j’aurais bien aimé une réponse de scientifique du genre “Non, sauf éventuellement peut-être si …” pour préserver le rêve, alors que le “Non” définitif du philosophe l’a brisé.

Références :

" " sur le Journal du Net : dossier très complet
" " sur e-znogood
" " sur la Wikipedia
, Le facteur temps ne sonne jamais deux fois, 1997, Flammarion, ISBN : 9782081205802
” sur nuance blog
Michael Esfeld “ (ch. 13)”, Université de Lausanne
Pierre Spagnou, De la relativité au GPS. Quand Einstein s’invite dans votre voiture, 2020, Ellipse, ISBN:9782729872816
Claude Semay, “ ”, conférence du 18 décembre 2002 à l’université de Mons-Hainaut (Belgique).
“ ” (2002) Penguin Books Ltd ISBN:9780141005348
" ", Films tirés des conférences Cyclope du 12 et 19 juin 2006, INSTN de Saclay, dont “Le Temps existe-t-il ?” par Etienne Klein

Le temps dans les constantes universelles

Thu, 12 Jun 2008 00:00:00 +0000

En répondant à un sur , je me suis aperçu que le mètre et la seconde apparaissaient ensemble dans toutes les unités des :

Nom	Symbole	Unité
dans le vide	c	m/s
	μ0	kg·m / A2·s2
	ε0	A2·s4 /kg·m3
	Z0	kg·m2 / A2·s3
	ℎ	kg·m2/s

Albert et Max (Einstein et Planck)

Or, comme expliqué dans “ ”, la relativité d’Albert lie le temps et l’espace par la vitesse de la lumière : actuellement, est d’ailleurs basée sur , mais dans cet “espace-temps” ( ) , le temps est une dimension “imaginaire” au sens mathématique du terme :

\[s\]

= i. 300'000'000

\[m\]

, où i est l’ telle que i2=-1

En introduisant la seconde comme équivalente, à un facteur près, à des mètres imaginaires dans les unités des constantes universelles on obtient :

Nom	Symbole	Unité
dans le vide	c	-i
	μ0	-kg / A2·m
	ε0	A2·m /kg
	Z0	i. kg / A2·m
	ℎ	-i.kg·m

N’est-ce pas merveilleux ? non seulement la vitesse de la lumière devient une constante purement géométrique, mais les “constantes du vide” retrouvent leur parenté oubliée…

Le plus amusant dans ce petit jeu, c’est de voir ce que devient l’unité d’énergie, le avec cette manipulation :

1 J = 1 kg·m2/s2 ≈ -1 kg

L’énergie, c’est une masse négative ! Ah, me direz vous, mais Albert a dit que E=m.c2, donc que (beaucoup) d’énergie était équivalent à (un peu) de masse ! Oui, mais c est proportionnel au nombre imaginaire i, donc c2 ≈ i2 = -1, donc c’est bien ça : l’énergie correspond à de la masse négative.

Pour demain, démontrez que : E+m = 0, donc qu’avec un peu d’imagination, la somme de tout ce qui existe pourrait être rigoureusement nulle ;-)

Références:

“ ” sur Wikipedia
“ ” sur Wikipedia

Nostradamus et les Catastrophysiciens

Sun, 08 Jun 2008 00:00:00 +0000

Après Superman, James Bond et Georges W. Bush, de nouveaux super-héros sont en train de de la destruction totale par les méchants.

N’écoutant que leur courage, les Catastrophysiciens Luis Sancho et Walter Wagner ont pointé leur contre les savants fous qui se préparent à donner la Terre à avaler au micro trou noir qu’ils vont produire avec le LHC du CERN.

A l’appui de leur théorie, les amis de Catastrophysiciens citent une référence de poids : ! Voici le quatrain qui annonce la catastrophe :

Migrés, migrés de Geneue trestous, Saturne d’or en fer se changera, Le contre Raypoz exteriminera tous, Auvant l’aruent le ciel signes fera.

En clair ça donne : Fuyez, fuyez tous de Genève, Saturne se changera d’un truc qui brille en truc qui brille pas et les rayons positifs contraires extermineront tout le monde, mais avant, le ciel deviendra tout rouge par Effet Doppler. (Je suis pas mauvais en interprétation de Nostradamus, je trouve… )

Notez comme l’énigmatique mot “Raypoz” de la prédiction trouve tout son sens avec les faisceaux de protons. D’ailleurs, il y a un même un petit dessin prophétique qui confirme cette interprétation :

(détail d’une illustration du “ ”, le “livre perdu de Nostradamus”. Cliquer dessus pour le dessin complet)

On voit bien les deux poissons (Nostradamus ne savait pas bien dessiner les protons…) qui se croisent en sens inverse, lançés avec un arc à supraconducteur, et le trou dans le sol creusé par le micro trou noir qui descend au centre de la Terre, d’où il absorbera tout, comme dans ce joli film :

Tout est limpide n’est ce pas ? Sauf que d’après le texte on peut s’en tirer en fuyant Genève, ce qui fait que d’autres voient plutôt une annonce d’ d’après le même texte…

Concrètement donc, des juges américains ont considéré comme recevable la plainte de Luis Sancho et Walter Wagner, et assigné le partenaire du CERN en justice. Les physiciens du monde entier vont devoir probablement prouver que leurs expériences au LHC sont sans danger, alors que c’est justement le but du LHC de valider scientifiquement les prédictions de la théorie du “modèle standard” et/ou de ses diverses ramifications.

Et les super-héros qui reçoivent une publicité mondiale, que risquent-ils, eux ? A mon avis, on ne devrait que les obliger à avoir le même courage que Paco Rabanne, qui s’était engagé à ne plus faire de prédictions si comme l’avait prédit Nostradamus (déjà…). Il s’est et ne la ramène plus.

Les scientifiques signent tous implicitement ce que j’appelle le “Serment de Paco Rabanne” : si les prédictions de ma théorie ne se vérifient pas, c’est que je me suis planté alors après je me fais très discret. Pour être pris au sérieux, les catastrophysiciens et leurs amis devraient être forcés à le signer explicitement : si le CERN ne détruit pas la Terre, on fait amende honorable et on ne la ramène plus.

Références :

Alan Gillis “ ”, the Science of Conundrum
(en anglais) sur history.com
" " sur le ZebraBlog de Sugus, qui a trouvé le document juridique et motivé ce second article, merci !
Alan Boyle, “ ” sur CosmicLog
un forum initié par les catastrophysiciens avec un début de débat

la Grande Question du Temps

Fri, 06 Jun 2008 00:00:00 +0000

"Big Bang" par ToniVC sur flickr

Dès que l’on parle du , la première question qui se pose est “qu’y avait-il avant ?”. C’est la Grande Question du Temps. La réponse de la physique actuelle est “la question n’a pas de sens”. Dans cet article, je vais tenter de montrer que ce n’est de loin pas une façon de contourner la difficulté de la question.

Introduction

Commençons par un sujet qui peut paraître éloigné. Notre intuition en regardant un thermomètre est qu’il peut toujours faire plus froid : 20°C, 0°, -20°, -100°, -300°C … Et bien non. Il ne peut pas faire -300°C, parce que , et qu’à une certaine température appelée “zéro absolu” (-273.15°C), les molécules ou atomes ne bougent absolument plus du tout. Une fois qu’on a compris que la température mesure en fait une sorte de vitesse, il devient évident qu’il ne peut pas faire plus froid que le zéro absolu. En serait-il de même avec le temps ? Si le temps que l’on mesure en secondes était en fait relié à une autre notion qui aurait un “zéro absolu” au moment du Big Bang, la question de savoir ce qu’il y avait “avant” n’aurait effectivement pas de sens.

La 4ème dimension

Selon Einstein, liée aux dimensions spatiales par la vitesse de la lumière. Si on admet qu’à l’instant du Big Bang, l’Univers était un point de dimensions spatiales nulles, le temps était aussi au “Temps zéro” absolu. Autrement dit, si on mesure le temps non pas en secondes, mais en se basant sur le qui augmente depuis le BigBang, il devient clair qu’à un moment l’univers avait un rayon de 1 mètre (à 10-32 secondes), mais que se demander quand il avait un rayon de -1m n’a pas de sens.

fig. 1 : relation entre la taille de l’Univers observable et son âge

La mesure du temps

Nous allons nous intéresser à la mesure du temps, en commençant par son unité : la seconde. A quoi correspond-elle physiquement ? Jusqu’en 1956, c’était un 60ème de 60ème de 24ème de jour terrestre. Puis on s’est aperçus que la Terre ralentissait, alors c’est devenu 1/31 556 925,9747 d’année. Mais alors que valait une seconde avant que le Système Solaire n’existe, il y a 4 milliards d’années ?

Heureusement, en 1967 on a défini la seconde comme

\[1\]

la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental 6S½ de l’atome de césium 133 à 0°K .

C’est mieux, ça sonne bien physique. Mais , et d’ailleurs les premiers atomes sont apparus 300'000 “ans” après le Big Bang, et le césium plutôt après 1'000'000'000 d’années, avec les premières étoiles. Avec quelle horloge pouvait-on mesurer le temps avant ? Ou autrement dit, comment savoir si les secondes du début de l’Univers avaient la même durée que les secondes actuelles ?

fig 2 : Histoire "microscopique" de l’Univers (cliquer pour la "macroscopique")

Le Grand Métronome Absolu

Dans la purée de particules et de rayonnements qui composaient l’Univers pendant la première “minute” après le Big Bang, il n’existait aucun moyen de mesurer le temps. Aucun système oscillant de façon stable en conservant de l’énergie, sauf peut-être des photons dont la fréquence variait rapidement avec la dilatation de l’Univers, à condition qu’ils aient la chance de parcourir plus d’une longueur d’onde avant de heurter une autre particule. Pendant une minute, l’Univers a entièrement été gouverné par le Hasard Quantique. Même Dieu n’aurait pas pu chronométrer une seconde de cette minute là.

Et encore avant cela, avant l’inflation et pire encore avant le à 10-44 secondes, on a strictement aucune idée de ce que contenait l’Univers à part de “l’énergie pure”.

On a donc un gros problème : le Big Bang est décrit en utilisant la notion actuelle de “seconde”, mais on n’a peut être pas le droit de le faire car il n’existe pas de “Grand Métronome Absolu”.

Temps et Énergie

Cependant, il existe un point commun entre toutes les mesures passées et actuelles du temps, c’est l’énergie : toutes les horloges sont basées sur une oscillation périodique d’un système contenant de l’énergie. Que ce soit la rotation de la Terre, le mouvement d’un balancier muni d’un ou la fréquence d’un rayonnement électromagnétique, notre mesure du temps est étroitement liée à la notion d’énergie.

La théorie du Big Bang lie étroitement le temps et l’énergie au “début” de l’Univers, comme on le voit sur la fig.2. Les particules sont apparues à 10-10 s, quand leur énergie correspondait à 10² Giga (GeV). Puis elles se sont agglomérées en atomes à 1013 secondes, quand leur énergie a baissé à 10-11 GeV, et actuellement il est exactement 2,3.10-13 GeV après le Big Bang.

Chaud le Big Bang, chaud !

Comme on l’a vu dans l’introduction, la température est une mesure de l’énergie des particules, et ceci permet de graduer l’âge de l’Univers avec un thermomètre. Actuellement, il est 2,7 °K d’après le rayonnement du fond du ciel, mais il était 15°K quand les étoiles et galaxies se sont formées et 1015°K au moment de la formation des particules. Notez le retournement de situation avec cette façon de mesurer le temps : le Big Bang n’a pas lieu au “temps zéro”, mais à “énergie infinie”. Et contrairement au froid qui admet un “zéro absolu”, il n’y a en principe pas de limite supérieure à la température. En mesurant le temps par l’énergie ou la température, poser la question “Qu’y avait-il avant ?” n’a plus de sens car le Big Bang est repoussé à l’infini de notre nouvelle échelle du temps : on peut toujours imaginer un Univers encore plus petit, encore plus dense et encore plus chaud.

Conclusion

L’idée selon laquelle le Big Bang a eu lieu à un “instant” précis est le résultat de notre mesure du temps par des “secondes”. Mais comme l’Univers n’a pas de “Grand Métronome Absolu”, on doit se résoudre à utiliser l’énergie ou la température pour graduer le temps de façon cohérente. Tout ce que l’on peut dire alors, c’est que l’Univers est en refroidissement perpétuel, sans que ça suppose l’existence d’un “début”. Mesuré avec un thermomètre, le temps est continu de plus l’infini jusqu’au zéro absolu, qui aura lieu dans une infinité de secondes. Le Big Bang n’est pas un événement remarquable, avec un “avant” et un “après”. Avec les bonnes unités, c’est une asymptote à l’infini dans le passé.

Sources:

Etienne Klein, “ ”, dans Michel Cazenave (1998). Dictionnaire de l'ignorance: aux frontières de la science. A. Michel.
“ ”

Le Big Bang en une image

Fri, 30 May 2008 00:00:00 +0000

Si vous comprenez le très bon anglais, regardez . Ce jeune et enthousiaste physicien du CERN présente le LHC du CERN dans le contexte des interrogations actuelles en physique. A un moment, il montre cette image de nos connaissances actuelles de l’histoire de l’Univers:

Cette figure montre le BigBang à gauche, il y a 13.7 milliards d’années, la phase “inflatoire” où il a gonflé exponentiellement en 380'000 ans, avant que la purée de matière ne s’agglomère par gravitation pour former les étoiles (les premières 400 millions d’années après le Big Bang seulement), les galaxies, amas et superamas qui constituent l’univers actuel.

Le satellite représenté à gauche, c’est qui a mesuré la densité de la purée de matière telle qu’elle était 380'000 ans après le Big Bang, à la fin de l’inflation. C’est l’image la plus ancienne de l’Univers que l’on puisse obtenir par l’astronomie, on en voit un bout sur la tranche d’Univers la plus à gauche ci-dessus, mais la voici au complet, correspondant à la voute céleste complète :

Cette image montre qu’il y avait déjà des grumeaux dans la purée, mais sans structure claire : le Big Bang a “pété droit”, mais des phénomènes survenus immédiatement ensuite ont créé une légère anisotropie.

“Comment ?”, c’est l’une des questions que le LHC va contribuer à résoudre, une autre étant la raison de l’accélération de l’expension de l’univers, aussi représentée sur la première figure. WMAP et d’autres mesures montrent que de “l’énergie sombre” fait que les Galaxies se repoussent. C’est comme si : l’attraction faiblit au fur et à mesure que l’Univers vieillit. Tout ça devrait être éclairci très bientôt par mes voisins, au CERN.

Les particules sont-elles de petits noeuds ?

Sun, 25 May 2008 00:00:00 +0000

La théorie de la relativité n’est pas très simple, mais on peut parvenir à en saisir quelques notions avec un peu d’imagination et de curiosité. La mécanique quantique est beaucoup moins abordable car elle choque beaucoup plus notre compréhension intuitive du monde. Alors que dire de la “théorie des cordes” (string theory), censée lier l’infiniment grand et l’infiniment petit dans un univers à 10 dimensions légèrement plus tordues que l …

Il existe l’ sur ce sujet, mais en anglais et durant 3h au total.

Les idées de base ont cependant été résumées dans un excellent petit reportage de 10 minutes, en français :

Ne manquez pas l’explication sur les petites dimensions recourbées sur elles-mêmes à 3.44 minutes. C’est génial.

Tout ça est bien joli sous forme de théorie, mais pour la valider, il faudrait que la théorie des cordes puisse faire des prévisions que l’on puisse vérifier expérimentalement. Or Brian Greene, un des physiciens soutenant la théorie des cordes vient de faire au une présentation de 20 minutes (en anglais…) recouvrant bien le reportage ci-dessus, mais dans les 4 dernières minutes, il parle d’une vérification expérimentale possible au LHC du CERN, très bientôt :

Selon lui, l’énergie totale des particules résultant d’une collision sera inférieure à l’énergie totale des protons au moment de la collision. Cette violation du principe de conservation de l’énergie ne pourra s’expliquer que si des particules “débris” sont éjectées dans les dimensions bouclées d’où elles ne peuvent pas ressortir vers les capteurs. Pour en savoir plus, les courageux peuvent lire “ ” par dans le CERN Courrier de Juillet 2003.

Wow ! je vais peut-être être juste à côté de la première violation d’une loi fondamentale de la physique depuis le Big Bang !

Supernovas : on a tout juste.

Sat, 24 May 2008 00:00:00 +0000

De temps en temps, une étoile explose. Dans une Galaxie contenant des milliards d’étoiles, ça arrive même assez souvent, mais jusqu’à maintenant on n’avait jamais observé une explosion en direct*, ce qui fait que toute la théorie de ce qui se passe à la mort d’une étoile était basé sur l’observation des “rémanents”, les restes de passées.

Cette théorie prévoit que la s’arrête dans une étoile, elle s’effondre sur elle même en quelques secondes, comprimant son centre jusqu’à ce que les protons des tous les atomes se touchent et se combinent avec les électrons pour former sur laquelle les couches externes de l’étoile vont s’écraser en produisant quasi instantanément d’énormes quantités de fer et d’autres éléments lourds, et rebondir dans l’espace dans d’ . Ce processus très rapide est tellement “chaud” qu’il ne produit pas de lumière, mais des rayons X pendant quelques minutes, la lumière venant ensuite.

Et devinez quoi ? le 9 janvier 2008 Alicia Soderbers avait pointé le sur la galaxie NGC 2770 (à 90 millions d’années lumière) pour observer les rayons X émis par les restes d’une supernova apparue en décembre 2007 quand soudain elle a observé en direct un flash de rayons X pendant plus de 3 minutes, juste à côté ! En quelques minutes de plus, elle a réussi à convaincre tous les astronomes de la planète à braquer leurs téléscopes sur le point en question et … la lumière fut !

(en bas à droite, l’apparition de la supernova 2008d dans les rayons X, qui aveugle la vieille 2007uy et le centre actif de la galaxie NGC 2770 visibles à gauche. En haut, les images de la galaxie dans le visible, avant et après)

Il faudra encore du temps pour analyser toutes les mesures faites lors de cette observation, mais une fois encore la Science a montré sa supériorité écrasante sur Elisabeth Teissier : quand on prédit qu’une étoile va s’allumer dans 5 minutes grâce à des rayons invisibles depuis la Terre, et bien l’étoile s’allume. Et encore une fois, la force d’une théorie scientifique se mesure à sa capacité de prédiction, pas dans la correspondance avec ce qui a déjà été observé.

Il y a quand même un problème : normalement, on devrait observer en moyenne 3 supernovas par siècle dans notre propre Galaxie, la Voie Lactée. Mais on est loin du compte : la dernière a été vue en . Pourquoi est-on loin du compte ?

La réponse est dans la figure suivant, qui montre l’emplacement dans la galaxie des 8 supernovas répertoriées par nos ancêtres : elles ne sont pas très loin du Soleil, disons dans une zone couvrant 10% du disque galactique : le compte est bon. Mais pourquoi ne voit-on pas les supernovas plus lointaines, alors qu’elles brillent comme des millions d’étoiles ? Parce que la Galaxie contient des nuages de poussières, très ténus, mais très étendus aussi, et qui empêchent la lumière de parcourir de telles distance. Les myriades d’étoiles qui constèlent notre ciel nocturne ne représentent qu’une toute petite fraction de la petite bulle de matière qu’est notre Galaxie.

*Note : bien sur, en , , , , , des humains ont vu des points brillants apparaitre dans le ciel pendant quelques jours, mais ils ne savaient pas ce que c’était…

Références:

” sur
Jean Etienne, “ ” 22 mai 2008,
A. M. Soderberg et al, “ ”, Nature
Laurent Sacco, “ ”, 15 mai 2008,

Les puissances de dix

Fri, 16 May 2008 00:00:00 +0000

Retrouvé par hasard ce film réalisé en 1977 (30 ans…) par pour le compte d’IBM. Le commentaire est un peu “années 60”, mais “ ” m’émerveille toujours autant.

A remarquer que le voyage vers “le grand” s’achève à 1026 m soit 100 millions d’années lumières. Aujourd’hui on irait probablement jusqu’à 1028 puisque les instruments modernes sont capables de voir des objets distants de 5 milliards d’années lumière, et que l’on commence à avoir une idée de la structure de l’univers à 10 milliards d’années lumière. Vers le petit, on estime que la taille des électrons est de l’ordre de 10-17 m et celle des quarks qui composent les protons et neutrons de 10-18 m, soit également deux ordres de grandeur de plus (en moins…) que dans le film.

Autrement dit, en 30 ans notre connaissance de l’Univers s’est élargie sur 4 ordres de grandeur, soit plus d’un ordre de grandeur par 10 ans. En 1850, on connaissait les microbes (10-6) et le système solaire (1013), soit 19 ordres de grandeur, alors que nous en connaissons 44, soit 25 de plus 160 ans plus tard.

Vers le grand, on a pratiquement atteint la limite : l’Univers observable correspond à l’âge du Big Bang, on ne pourra que spéculer à coups de modèles théoriques sur des structures hypothétiquement encore plus grandes. Vers le petit par contre, on est encore assez loin de la de l’ordre de 10-35 , une valeur elle aussi assez théorique pour l’instant mais qui pourrait signifier que rien de plus petit ne peut exister. Il va falloir vérifier.

La science du football

Fri, 09 May 2008 00:00:00 +0000

Une blague dit que les femmes ne s’intéressent pas au football car elles ont tout compris à propos de ce jeu. C’est mon cas aussi, surtout depuis la lecture du livre John Wesson (2004). La science du football. Belin.

Après 4 chapitres sur les principes physiques intervenant dans le jeu (Le ballon et ses rebonds, La frappe, Têtes, dégagements, arrêts, et Quand le ballon est en l’air ), le livre aborde le jeu proprement dit.

Le chapitre 5 “Les règles du jeu” établit une relation très intéressante : le temps moyen de contrôle du ballon par un joueur en fonction de la taille du terrain et du nombre de joueurs. Avec 10 joueurs (le gardien n’étant pas supposés s’aventurer loin des buts), il montre que chaque joueur dispose du ballon en moyenne de 3 secondes sur un terrain standard.

Mais le passage le plus intéressant du livre concerne la relation entre le nombre de buts et la probabilité de victoire des équipes : l’auteur montre que dans le cas d’un score final de 1-0, il y a 33% de chances que le but de la victoire ait été marqué par l’équipe la plus faible. Si 2 buts sont marqués pendant le match, c’est dans 45% des cas un match nul (1-1) et dans 10% des cas l’équipe la plus faible parvient à s’imposer 2-0 contre une équipe forte qui n’avait alors “que” 45% de chances de gagner le match.

Il faudrait qu’il y ait environ 10 buts par match pour que le risque de résultat nul descende à 15%, et que l’équipe faible n’ait plus que 15% de chances de gagner.

Or au chapitre 6 “la Théorie du Jeu” qui analyse les résultats des matches de la première ligue anglaise, on constate que dans 75% des matches, moins de 4 buts sont marqués. Dans ces conditions l’équipe “forte” ne remporte la victoire que dans 49% des cas, la probabilité de match nul étant de 26% et l’équipe faible ayant 25% de chances de gagner !

Le hasard joue donc un rôle très important au football car il n’y a pas assez de buts !

Dans ce contexte, les pénaltys sont aussi analysés au chapitre 5. Tirés à 11m, la probabilité de marquer un but est de l’ordre de 75%. Obtenir un seul pénalty donne une très bonne option sur la victoire…

Au chapitre 6, le hors-jeu et la technique de l’interception des passes sont encore abordés, mais le Chapitre 7 “La meilleure équipe” revient sur les probabilités de victoire.

La question est de savoir si l’équipe qui gagne un tournoi ou un championnat est forcément la plus forte. L’auteur commence par simuler un championnat entre 20 équipes virtuelles de forces égales, en utilisant les probabilités de victoire de match découvertes plus haut. L’équipe gagnante remporte le championnat avec 67 points, la deuxième obtenant 63 points et la dernière 31, alors qu’elles sont, je le rappelle, de forces égale : seule la chance explique cet écart.

Or en “Premiership”, le championnat anglais, les équipes championnes obtiennent environ 80 points et l’écart avec le bas du tableau est de l’ordre de 50. Il y a donc bien des équipes plus fortes que d’autres. John Wesson effectue alors une 2ème simulation avec une équipe meilleure que les 19 autres : on lui attribue une probabilité de gagner un match 1.5 x plus élevée que de perdre. Surprise : cette équipe ne gagne pas le championnat simulé. Elle arrive seconde avec 67 points, derrière une équipe “normale” qui a eu la chance de remporter 71 points!

Le chapitre se clôt avec des statistiques sur la coupe anglaise. Wesson calcule notamment que l’équipe qui gagne le championnat de la ligue n’a qu’une chance sur 8 de faire le doublé et d’emporter la coupe, ce qui correspond parfaitement au 7 cas de doublés enregistrés depuis 1946…

Le chapitre 8 “Les Joueurs” s’intéresse à l’âge, à la taille et à la valeur marchande des sportifs. On y constate un fait étonnant : une proportion statistiquement significative des joueurs anglais sont nés à la fin de l’année ! Ceci s’explique lorsqu’on constate aussi que les joueurs de football sont plus grands (surtout les gardiens) que la moyenne des gens, et quand on sait que les enfants anglais sont regroupés par l’âge qu’ils ont en juillet. Les natifs de l’automne sont plus âgés que leus copains de classe du printemps, donc plus grands, donc ont plus de chances d’être pris dans l’équipe de foot ! A quoi ça tient de devenir millionnaire, des fois …

A 22 ans, les joueurs sont les plus nombreux sur les terrains de foot, mais comme leurs carrières ne dépassent 3 ans que dans 50% des cas, ils sont déjà moins nombreux à 24 ans, âge auquel ils marquent statistiquement le plus de buts. Mais étonnamment, les transferts de montants maximums sont enregistrés pour les joueurs de 26 ans, donc ceux qui ont fait leurs preuves, pas ceux qui vont les faire !

Le chapitre 9 “Questions financières” s’intéresse au business des clubs, leur chiffre d’affaires en fonction de leur classement et de la taille de l’agglomération concernée, la probabilité de gagner de l’argent grâce aux transferts etc.

Le dernier chapitre “Le football en équations” contient de nombreuses idées de problèmes de mécanique élémentaire à proposer aux potaches ces temps, et quelques uns sur les probabilités.

J’ai donc enfin compris pourquoi le foot ne m’intéresse pas : c’est un jeu de hasard et il y a trop peu de buts. De ce fait:

(je m’ennuie en regardant les matches)
un seul but étant un évènement très important, les joueurs et les supporters sont très excités voire agressifs à chaque occasion,
les nationalismes sont excités car le suspense est réel : la Suisse peut gagner l’Euro 2008, il faut juste de la chance…

Il serait très facile de rendre le football plus “juste” : en agrandissant les buts par exemple, le nombre de buts augmenterait, diminuant la part de hasard. Les instances du football ne le font pas, probablement car ils pensent que le jeu serait moins suivi si l’issue des matches était plus prévisible.

J’ai donc maintenant des motifs très scientifiques d’ignorer superbement l’Euro 2008 qui va se jouer jusque dans ma ville. Mon seul regret est qu’il n’ait pas lieu pendant les vacances scolaires, ce qui nous aurait permis de partir très loin en louant notre maison…

Du désordre à l'ordre en passant par le chaos

Mon, 05 May 2008 00:00:00 +0000

Voici une petite expérience de physique amusante et instructive. Elle montre comment le phénomène de résonance peut synchroniser un système désordonné (désynchronisé), en passant par une transition chaotique:

Sur la table, très rigide, les métronomes ne s’influencent pas les uns les autres : chacun bat à son rythme. Une fois posés sur la planche qui peut rouler sur les canettes, le mouvement du balancier de chaque métronome fait bouger la planche en sens inverse, ce qui influence les autres métronomes. Pendant que les métronomes s’ajustent au mouvement général, il se passe quelque chose de très intéressant : ils ne battent plus exactement à leur rythme car ils doivent accélérer ou ralentir, ce qui perturbe les autres, et il est pratiquement impossible de prédire le rythme global qui résultera de cette phase chaotique.

La résonance est un phénomène très général en physique car la loi “action/réaction” est universelle. Des anneaux de Saturne à la résonance magnétique nucléaire (RMN), des lois simples organisent le désordre.

source:

Les jets des trous noirs

Sat, 03 May 2008 00:00:00 +0000

Les trous noirs sont très noirs : aucune lumière ne peut en sortir. En plus ils sont très petits, ce qui empêche définitivement de les “voir” avec un télescope. Par contre les phénomènes cataclysmiques qu’ils produisent dans leur voisinage dégagent une énergie colossale qui trahit leur présence sans doute possible. Il y a d’une part le disque d’accrétion dont j’ai déjà parlé et , et d’autre par les “jets”, que l’on est en train de comprendre un peu mieux.

A l’origine, ce sont des photos comme celle du centre de la galaxie M87 ci-contre qui ont révélé des jets de plasma très chaud émis à 99% de la vitesse de la lumière par le centre de plusieurs galaxies, perpendiculairement à leur plan de rotation.

La violence du phénomène ne laisse aucun doute sur l’origine, mais le fait demeure, paradoxal : les trous noirs sont capables d’émettre de la matière dans l’espace, probablement en quantités beaucoup plus importantes que celle qu’ils absorbent.

En 1977 déjà, Blandford et Znajek ont proposé un mécanisme expliquant l’émission de ces jets : la matière du disque d’accrétion tombant en spirale vers le trou noir serait déviée par le champ magnétique de celui-ci, qui serait enroulé sur lui-même au point de former une gigantesque dynamo qui accélèrerait la matière sur des lignes de champ hélicoïdales qui s’échappent par les pôles du trou noir. Leur théorie prédit qu’il devrait y avoir un “noeud” à une certaine distance de l’émission ou le jet serait focalisé avant de poursuivre son chemin dans l’Univers. Cette magnifique théorie est illustrée par l’image ci-dessous (cliquer pour agrandir):

Si vous me conaissez, vous m’avez vu venir : oui, la théorie vient d’être vérifiée grâce à sa prédiction : en observant une bouffée de particules progressant le long du jet de BL Lacertae (BL Lac à 950 millios d’années lumière) pendant plusieurs années, Alan Marscher de l’université de Boston a observé qu’elle a émis plus de lumière, de rayons X et de rayons gamma exactement à la position du noeud prévu : CQFD.

L’image ci-dessus et la vidéo correspondante ci-dessous sont réalisées par , un astronome mexicain qui a fondé l’entreprise réalisant des de phénomènes astronomiques comme celle-ci:

Steffen a aussi développé le logiciel “ ” qui traite à la façon des astronomes des nuages de particules 3D. Ca fait plusieurs sujets pour de prochains articles…

sources :

“ ” Laurent Sacco, , 2 mai 2008
“ ”, JR Minke, Scientific America, Avril 2008

Ca c'est du trou noir, du vrai !

Fri, 18 Apr 2008 00:00:00 +0000

Au centre de notre Galaxie, la Voie Lactée, se trouve un qui pèse comme 2.7 millions de Soleils, et parmi les on vient d’en trouver un , lourd comme 3.6 Soleils seulement. Avant que nous dévore tous (arf!) voici des nouvelles d’un vrai monstre : OJ287.

OJ287 est un , une galaxie très lointaine (3.5 milliards d’années lumière) dont le cœur est extrêmement lumineux, ce qui fait qu’on l’observe depuis plus d’un siècle. Or, approximativement tous les 12 ans, sa luminosité augmente en produisant deux flashes successifs.

En 1980, l’équipe finlandaise de Mauri Valtonen a proposé une explication au phénomène : OJ287 serait composé de deux trous noirs, l’un de 100 millions de masses solaires, soit 40 fois plus que . Et celui là, ce serait le petit : il tournerait autour d’un autre, de 18 milliards de Soleils ! Les flashes se produiraient lorsque le petit traverserait par deux fois le disque d’accrétion du grand, comme illustré sur la figure ci-contre.

Le disque d’accrétion, c’est de la purée de matière en orbite à la vitesse de la lumière autour du trou noir, une sorte de LHC naturel avec des étoiles à la place des protons, si vous voulez vous faire une idée …

Tout ceci n’aurait été que pure spéculation si les finlandais n’avaient pas prédit la date des prochains flashes : le 13 septembre 2007. Et à cette date, des dizaines de téléscopes autour de la Terre ont enregistré le phénomène, validant du même coup beaucoup de choses:

Les masses du duo de trous noirs : OJ 287 est le plus gros jamais mesuré, 6x plus lourd que le numéro 2.
La théorie de la relativité. Albert avait expliqué la mystérieuse précession de l’ de 0.1 degré par siècle, et ici les mêmes équations se sont révélées absolument parfaites et valables pour un objet monstrueux dont l’orbite se décale de 39 degrés par période de 12 ans !
L’émission d’ondes gravitationnelles. Avec les instruments les plus sensibles actuellement, on a toujours pas réussi à mesurer ces ondes prévues par la Théorie, faute de phénomènes impliquant des masses importantes à portée de main. Or Valtonen a pu calculer que si OJ 287 ne dissipait pas d’énergie sous forme d’ondes gravitationnelles, les flashes se produiraient 20 jours plus tard.

Observation, Hypothèse, Validation expérimentale : ça c’est de la Science ! Avec du rêve en prime. J’attends avec impatience des images de synthèse qui montreraient à quoi ressemble le feu d’artifice vu de moins loin.

Sources:

\[altmetric arxiv="1112.1162" float="right"\]Mauri Valtonen, Stefano Ciprini “OJ 287 binary black hole system”, 2011, \[astro-ph.HE\]

sur Techno-Science
, Laurent Sacco,

On va tous mourir !

Thu, 17 Apr 2008 00:00:00 +0000

Intéressant de voir comme le catastrophisme attire. Des films holywoodiens aux sectes apocalyptiques, la recette de la fin du monde a toujours du succès.

Après la guerre nucléaire totale, l’énorme météore qui frappe la Terre, le Déluge suite à la fonte des glaces de l’Antarctique, les virus ebola croisés avec la grippe aviaire voire le Soleil qui s’éteint et bien d’autres, voici le petit dernier à la mode : l’annihilation de la planète suite à la mise en service du LHC au CERN !

Au début j’ai cru à un gag, puis à un moyen tordu de faire parler de soi, mais la plainte de Luis Sancho et Walter L. Wagner visant à empêcher la mise en service du nouvel accélérateur de particules se révèle être la pointe de l’iceberg. Il y a apparemment des gens qui ont vraiment peur que la collision de deux protons à haute énergie cause la Fin du Monde !

Si vous voulez vous préparer au pire, le vous dirigera vers d’autres, comme:

une véritable intitulée “La France construit la machine de la Fin du Monde” dans laquelle, en plus, le CERN est soupçonné de produire assez d’antimatière pour détruire les environs (pas grave), mais surtout qu’elle pourrait être utilisée par des terroristes ! Et les commentaires sont du même niveau : lamentables.
propose un pavé indigeste démontrant que les gens du CERN ne connaissent rien à la physique et vont détruire le joli monde créé par Dieu Tout Puissant.
le site (suisse!), dont l’auteur reprend par cut & paste des infos glanées sur le web et se fend même d’un commentaire sur

J’aurais du respect pour Luis Sancho, Walter L. Wagner et les courageux anonymes éditant les sites mentionnés plus haut s’ils imitaient . Depuis, on est tranquilles.

De mon côté, je m’engage à ne plus jamais parler de physique si le LHC absorbe la Terre dans un trou noir…

A noter un site beaucoup plus sérieux, celui de la , qui étudie scientifiquement les risques menaçant l’humanité et de proposer des “shields”, des protections. contient des informations et des liens très intéressants comme :

les vidéos officielles expliquant le fonctionnement d’
des en construction
la belle image ci-dessous, représentant la simulation de ce qu’ATLAS devrait détecter : la création d’un boson de Higgs à partir de l’énergie pure créée par le choc de deux protons.

Plongée dans le LHC du CERN

Sun, 06 Apr 2008 00:00:00 +0000

Le au public pour lui montrer le Large Hadron Collider (LHC), le plus puissant accélérateur de particules du monde, qui sera mis en service cet été.

Je souhaitais voir , le plus imposant détecteur de particules, destiné entre autres à découvrir le , la particule qui permettrait de valider la théorie qui explique pourquoi certaines particules ont une masse et d’autre pas.

Mais à l’ouverture à 9h, il y avait déjà une queue de plus 3h pour le visiter… Nous nous sommes donc rendus sur le où la queue n’était “que” d’une heure et demie et permettait d’obtenir… un ticket pour une visite 2h plus tard ! Après beaucoup de déception et de reproches pour la mauvaise organisation de l’événement, nous sommes donc rentrés chez nous (à 10 minutes seulement, mais j’ai pensé à spécialement pour assister à cette journée…) et retournés à 14h plonger 100m sous terre.

Et ça valait la peine : imaginer un tunnel de 27km rempli des équipements de physique les plus sophistiqués que l’on puisse concevoir actuellement est difficile, mais le voir c’est vraiment impressionnant. Nous avons visité une section illustrant proche de l’expérience “ ” destinée à comprendre la “rupture de symétrie” qui a fait que le Big Bang a produit plus de matière que d’antimatière, ce qui fait qu’il reste de la matière …

Cette section permet de voir de nombreux aspects du :

le point d’injection des particles depuis un autre accélérateur dans le LHC
les aimants dipolaires qui courbent les 2 faisceaux de protons circulant en sens inverse dans le tunnel et les aimants quadrupôles qui focalisent ces faisceaux
un point où les deux faisceaux sont déviés l’un vers l’autre dans un seul tube afin de provoquer des collisions frontales au milieu du détecteur

ainsi que les dispositifs permettant à tout ceci de fonctionner aux limites de la physique actuelle :

la circulation d’hélium liquide à -270°C permettant de maintenir les aimants à supraconducteurs à une température suffisamment basse,
des câbles de cuivre d’environ 10 cm2 de section pour conduire des courants de 16000 ampères dans ces aimants,
des pompes permettant de créer un vide de 0.000000000036 bar…

Tout ça devrait donner de la matière à quelques articles dans les prochaines années.

Des p'tits trous noirs

Wed, 02 Apr 2008 00:00:00 +0000

“Chuis le poinçonneur galactique … j’fais des trous, des trous noirs, … , des trous d’seconde classe … "

Le petit dernier s’appelle XTE J1650-500 et a la bonne idée de tourner autour d’une autre étoile pas trop loin dans notre Voie Lactée, ce qui a permis de déterminer sa masse : 3.6x celle du Soleil seulement, ce qui en fait le plus petit trou noir connu. C’est intéressant pour vérifier expérimentalement la qui fixe théoriquement à 3.3 masses solaires la limite entre étoile à neutron et trou noir.

Les petits trous noirs ont aussi un “effet de marée” plus intense que les grands : la force d’attraction varie énormément avec la distance, ce qui fait par exemple que vos pieds seraient attirés beaucoup plus fortement que votre tête en passant à proximité, donc que tout en tombant vers le trou noir, vous seriez étiré en forme de spaghetti …

source : article agrémenté de cette belle vue d’artiste, hélas peu relativiste.

Sursaut Gamma : la folie céleste

Fri, 21 Mar 2008 00:00:00 +0000

A l’oeil nu, on peut voir à 3 Millions d’années lumière, et dans des conditions exceptionnelles. à 12 Millions d’années lumière. Ces sont les les plus proches de notre Voie Lactée, comportant chacune des milliards d’étoiles.

Or il y a deux jours, un astre situé à 7.5 Milliards d’années, donc 1000 fois plus loin, a été visible à l’oeil nu pendant 4 minutes ! GRB 080319B a alors brillé 2.5 millions de fois plus fort qu’une étoile explosant en , elle-même aussi brillante qu’une galaxie entière. (source: ) L’événement a même été : c’est le petit point apparaissant au centre de l’image ci-contre.

Le 080319 dans le nom peu poétique de ce phénomène, c’est la date à laquelle il est apparu : 19 mars 2008. GRB c’est pour “Gamma Ray Burst”, car il a en fait été détecté par le satellite “Swift”, spécialement conçu pour détecter les “ ”, ces phénomènes extrêmement violents et mystérieux. Et B, c’est parce que c’était le second détecté ce jour là.

Car le plus étonnant, c’est que les sursauts gamma ne sont pas rares. Les premiers ont été détectés en 1969 par des satellites militaires chargés de repérer des explosions nucléaires, produisant assez de rayons gamma pour produire des tumeurs à quelques kilomètres à la ronde. Or les satellites détectent en moyenne une fois par jour (!) des explosions produisant le même rayonnement depuis l’espace.

Les chercheurs se sont vite aperçus qu’ils provenaient de toute la sphère céleste, donc pas de notre Galaxie mais d’autres galaxies très lointaines. Actuellement, on estime qu’une étoile sur 10'000 meurt en causant un sursaut gamma (une hypothèse de mécanisme est décrite ). Lorsqu’on sait qu’une étoile par jour meurt dans une galaxie comme la Voie Lactée, il n’y a qu’un suraut gamma tous les 30 ans dans notre galaxie en moyenne, mais ils rayonnent si fort que nous détectons chaque jour ceux arrivant dans les 10'000 galaxies voisines.

Un sursaut gamma trop proche de nous stériliserait la planète en quelques secondes. Certains pensent que c’est ce qui s’est presque produit il y a 450 millions d’années : l’extinction massive de l’ordovicien serait due à une “ ” un peu trop proche. Ca ne devrait pas se reproduire “prochainement”, la prochaine supernova proche prévue, , est heureusement suffisamment loin.

La physique des films "spatiaux"

Mon, 17 Mar 2008 00:00:00 +0000

reprend un sujet du consacré à la physique dans les films dont l’action a lieu dans l’espace, illustré par ce tableau très incomplet des violations des lois de la physique commises dans chacun: (cliquer dessus pour l’agrandir)

Seuls les films “historiques” comme “Apollo 13” et “l’Etoffe des Héros” respectent parfaitement les lois de la physique spatiale

Le génial “2001 l’Odyssée de l’Espace” est le seul film de science-fiction pratiquement parfait. Sa seule imperfection concerne le mouvement des acteurs en apesanteur, et il est du à l’âge du film : avant l’apparition des effets numériques, la solution typique était de passer les mouvements des acteurs “au ralenti”.

L’autre défaut de “2001” mentionné dans le tableau est incorrect : la scène de l’exposition au vide du Dr. Floyd lorsqu’il utilise le sas de secours est très réaliste. basée sur des documents et expériences de la NASA explique qu’un être humain placé dans le vide n’explose pas, ne gèle pas, mais meurt “simplement” asphyxié après avoir souffert de quelques phénomènes très désagréables, en principe similaires à la remontée rapide d’un plongeur depuis une profondeur de 10m.

Deux films s’en sortent bien avec 2 problèmes de physique seulement : “Space Cowboys” est une sorte d’ “Apollo 13” de fiction mais n’évite pas l’effet “apesanteur au ralenti”, et tombe dans une autre erreur typique : le bruit dans l’espace. Beaucoup ignorent le slogan des “Alien”: dans l’espace, personne ne vous entend crier…

L’autre est l’excellent “Contact”. Là, c’est plutôt le contact trop facile avec les extra-terrestres qui dérange : après un petit casse-tête initial, Jodie Foster discute en anglais non sous-titré avec le représentant d’une civilisation avancée… Plutôt que le “bruit dans l’espace” mentionné dans le tableau, il me semble que ce film souffre plutôt du syndrome du “plus vite que la lumière”.

Non, on ne peut pas et on ne pourra pas aller plus vite que la lumière. Jamais. Dieu et son prophète Albert l’ont interdit. Il sera peut-être et d’aller , mais pas plus vite.

D’autres films comme “Armageddon” et “Deep Impact” combinent les fautes mentionnées avec d’autres, notamment une mauvaise représentation du feu et des explosions dans le vide (rien ne peut réellement bruler dans l’espace) et le non respect de la gravité dans des champs d’astéroïdes (qui s’attirent mutuellement)

Finalement, il y a des films de “space opera” comme StarWars dans lesquels le réalisme scientifique est totalement négligé, mais est-ce bien important ?

Si le sujet vous intéresse, consultez aussi le site (en anglais) qui traite du respect des lois de la physique dans les films en général, avec notamment une page très intéressante sur les effets spéciaux irréalistes mais très communs comme:

les balles qui ricochent en faisant des étincelles
les voitures qui explosent en cas de choc
les gens qui sautent sans mal à travers des fenêtres de verre
les rayons laser visibles
etc.

Intuitor fait aussi de nombreuses critiques scientifiques de films, et même de documentaires comme pour “ ”, censé montrer comment l’industrie du pétrole à éliminé la gentille voiture électrique EV1 de GM…

Bugman blogifié

Sat, 12 Jan 2008 00:00:00 +0000

Depuis longtemps je suis un fan du , un incroyable ramassis de choses épatantes sur des sujets comme la physique, les maths, les fractales et les papillons, le tout illustré par de magnifiques images et animations faites avec et principalement.

Le seul problème est que ce site était devenu affreusement lourd, à la fois graphiquement et par la taille des énormes pages sur lesquelles on frisait l’indigestion à la première visite et on ne retrouvait plus rien à la seconde…

Je me suis donc mis à “forcer la main” de Paul en lui créant un qui lui a beaucoup plu, et sur lequel je vais l’aider à migrer tout son passionnant contenu.

Abonnez-vous à pour suivre toutes les choses merveilleuses qui vont être (re) publiées sur le blog deBugman, vous ne le regretterez pas !

Quelques exemples accessibles via les jolis gif animés ci dessous :

Arche interstellaire et moteurs à antimatière

Sun, 16 Dec 2007 00:00:00 +0000

En février, Gilgamesh a publié sur un article culte : “ ”, dont je vous ai déjà parlé “Culte” parce que cet article a reçu jusqu’ici plus de 200 commentaires, presque tous constructifs et intéressants, faisant parfois plusieurs pages bien documentées, et que l’on peut suivre facilement grâce au .

Un thème dominant dans les commentaires est celui de la propulsion interstellaire : quelle source d’énergie et quels moteurs utiliser pour atteindre les étoiles ?

(approche de Iota Horlogii vue par Christoph Kulmann, )

Pour illustrer la difficulté, les , donc environ 1/4000 ème de la distance nous séparant de l’étoile la plus proche… Actuellement, seuls le permet d’envisager envoyer des engins plus vite et plus loin, mais sa très faible poussée limite son usage à des sondes automatiques légères.

L’Arche de Gilgamesh utiliserait la pour propulser un énorme cylindre abritant 5000 voyageurs vers une étoile proche (10 années lumière) en 700 ans.

Dans “ ”, j’ai décrit un voyage de 10 années lumière en 11 ans seulement, mais seulement 3 pour la petite équipe de passagers d’un vaisseau “léger” accélérant jusqu’à la vitesse de la lumière. La technologie de propulsion n’est pas décrite, mais je rêvais à une sorte de réacteur à antimatière catalytique, que Gilgamesh a rapidement démonté (merci …).

Cependant, Gilgamesh vient d’indiquer dans un commentaire dédié à la propulsion par antimatière. Outre le fait d’être en anglais, ce site est graphiquement horrible, impossible à lire sur ce fond noir et bleu… J’ai fait l’effort pour vous, et voici ce qu’il en ressort:

L’ a proposé un moteur “ACMF” pour “ ” consistant en gros a faire exploser de minuscules bombes H faites de pastilles d’Uranium, de Deutérium et de Tritium en les bombardant avec des antiprotons. Un vaisseau “ICAN-II” a même été projeté : il ressemblerait à ça:

Cet engin pourrait emmener quelques personnes vers Mars et retour en 120 jours seulement, en consommant 140 nanogrammes d’anti-protons (qui pourraient être produits en 1 an au CERN par exemple) et 360 tonnes de micro bombes H… Plus d’infos sur ce projet .
Un autre propulseur envisagé par l’ est l’AIM, pour “ ”. Comme pour l’ACMF, il s’agit en fait de fusion déclenchée par des antiprotons. La sonde AIM-Star propulsée par cette technologie serait capable d’aller environ 100x plus loin que les sondes Voyager en 50 ans, mais nécessite 28.5 microgrammes d’antiprotons, donc beaucoup plus que ce que l’on est capable de produire actuellement.
On pourrait imaginer utiliser de l’antimatière simplement pour chauffer un plasma qui serait expulsé du réacteur, mais ce “ ”, bien que plus simple, n’a pas un rendement aussi bon que les solutions précédentes.
Le vrai moteur de science-fiction, c’est le “ ” dans lequel les particules à très haute énergie produites par l’annihilation sont directement expulsées vers l’arrière du vaisseau à la vitesse de la lumière, et permettent donc d’atteindre des vitesses relativistes. Mais il y a plusieurs “détails” à régler:
- si j’ai bien compris, le moteur doit faire dans les 2km de long pour bien focaliser les particules
- le moteur produit des rayons gamma partant dans tous les sens, ce qui nécessite un blindage très important pour protéger les passagers
- ici, ce sont des tonnes, voire des milliers de tonnes d’antimatière dont on a besoin. Comme le souligne Gilgamesh dans son article, l’énergie dont on parle ici correspond à plusieurs fois les réserves totales d’énergies fossiles disponibles sur Terre. Peu de chances de voir un départ de vaisseau interstellaire dans les prochains siècles donc.

La Recherche en Simulation Physique

Mon, 10 Dec 2007 00:00:00 +0000

est chercheur et professeur à Stanford et regorge de vidéos extraordinaires sur ses sujets de recherche en simulation physique et 3D, qui donnent une petite idée de ce qui sera possible de faire en temps réel dans quelques années (ou mois).

Une de ses spécialités est l’interaction de solides, de fluides et de gaz, comme par exemple dans sa “réaction chimique” :

Il y a également plusieurs exemples spectaculaires de , comme le phare :

Une impressionnante liste de publications au format .pdf ou .ps est disponible au bas de la page pour tous les détails mathématiques …

Oiseaux, merveilleux oiseaux

Fri, 09 Nov 2007 00:00:00 +0000

d’Hubert Reeves parle de physique, d’astrophysique, de cosmologie et de Big Bang. Mais, comme dans “ ” et “ ” c’est surtout la description de la fantastique tendance de l’Univers vers la complexité qui émerveille.

Reeves parvient à décrire d’une manière imagée mais magnifiquement claire les très abstraites “transitions de phases” survenues au moment du Big Bang et les “ruptures de symétrie” qu’elles ont causé et qui sont à l’origine de la fertilité de l’Univers. Ce chapitre sur le “fine tuning” des lois de la physique, et en particulier le passage relatif à la durée de vie du proton m’ont décidé à me procurer “la Première Seconde”, un des derniers livres d’Hubert Reeves que je n’aie pas encore lus.

A l’autre extrémité de la complexité, “Oiseaux, merveilleux oiseaux” soutient aussi une idée très importante relative à l’Evolution : la Vie développe plusieurs solutions distinctes et parallèles au même problème. Par exemple, la mouche, l’albatros et la chauve-souris volent tous, mais n’ont pas d’ancêtres communs volants : chaque espèce à développé le vol indépendamment, en développant des techniques distinctes.

Mais c’est le passage sur les sens de l’orientation des animaux migrateurs, en particulier des oiseaux qui montre ceci de la manière la plus surprenante:

il est maintenant clair que certains oiseaux captent le champ magnétique. Certaines espèces captent le champ “horizontal” Nord/Sud, d’autres l’angle du champ par rapport au sol. Certains tiennent compte de déviations locales du champ et certains .
d’autres se repèrent apparemment par le plan de polarisation de la lumière solaire, “visible” même lorsque le Soleil est caché par les nuages
mais le plus spectaculaire vient des oiseaux volant de nuit. Placés dans un Planétarium, on a pu démontrer:
- qu’ils se repèrent par rapport aux étoiles et non par rapport au champ magnétique
- qu’on peut éteindre de nombreuses étoiles, dont Polaris , sans gêner les volatiles
- que si on fait tourner le ciel autour d’une autre étoile que Polaris, là les oiseaux se déroutent
- donc qu’il est très probable que les oiseaux s’orientent donc par rapport au point autour duquel les étoiles tournent, ce qui signifie qu’ils perçoivent la rotation du ciel de 0.25° par minute en volant, alors que nous ne sommes pas capables de le faire à l’oeil nu, bien immobiles couchés dans l’herbette…

Pourquoi les différentes espèces d’oiseaux migrateurs ont-elles développé des sens de l’orientation différents, si ce n’est parce qu’ils l’ont fait indépendamment ?

Références

Hubert Reeves (1998). Oiseaux, merveilleux oiseaux: les dialogues du ciel et de la vie. Editions du Seuil.
Hubert Reeves (1981). Patience dans l'azur: l'évolution cosmique. Seuil.
Hubert Reeves (1992). Heure de s'enivrer : l'univers a-t-il un sens ?. Seuil.

Le Darwinisme quantique

Mon, 15 Oct 2007 00:00:00 +0000

“ ” de Jean Paul Baquiast n’est pas un article facile à lire. Il expose des idées aux limites de la physique et de la philosophie actuelles. En fait c’est de la métaphysique à l’état pur.

En gros l’article commence par un constat embêtant pour les matérialistes (disons athées pour simplifier) , et que les spiritualistes (disons religieux pour simplifier) utilisent abondamment : l’Univers a effectivement l’air d’avoir été calculé avec précision pour que la Vie, accessoirement vous et principalement moi, puissions exister. Si certains paramètres physiques avaient été 0.1% différents, nous ne serions que des photons. Ou de l’hydrogène. Ou des cailloux, dans le meilleur des cas.

Il y a quelques temps, la mode était aux univers parallèles, ou aux “mousses d’Univers” dans lesquels tous les Univers possibles formés par toutes les combinaisons possibles de tous les paramètres fondamentaux de la physique coexisteraient. Nous serions dès lors statistiquement “obligés d’exister”. Mais cette théorie a l’inconvénient que d’être aussi impossible à prouver que l’existence du “ ”.

Nos amis physiciens, dont apparemment Paul Davies qui nous a expliqué , ont alors proposé des idées pour le moins audacieuses, consistant à dire que les lois de la physique sont elles-mêmes soumises à la mécanique quantique, et donc “flexibles” dans le sens qu’elles seraient perturbées par l’observation. En gros, puisque le physicien cherche une explication à sa propre existence, les expériences qu’ils fait vont dans ce sens et donc les lois de la physique qu’il découvre sont “anthropomorphisées” par l’observation elle-même.

Le “Darwinisme Quantique” essaie d’atténuer quelque peu la conséquence de ceci, qui est que c’est nous qui créons l’Univers par le fait d’exister et de l’observer (v’là que les physiciens se prennent pour Dieu maintenant…). L’idée serait que l’Univers joue lui-même le rôle d’Observateur et “sélectionne” les lois propices à l’émergence de la complexité par un mécanisme de combinaison, comme dans le darwinisme.

Je résume un max pour dissimuler le fait que je n’aie pas compris grand-chose, mais vous pouvez toujours tenter de décrypter un peu plus l’article et faire part de vos réflexions philosophiques ci-dessous.

Qui veut voyager loin ionise sa sonde

Fri, 28 Sep 2007 00:00:00 +0000

a été lancée par une grosse fusée exerçant une poussée de plusieurs tonnes pendant quelques minutes. Elle va continuer sa très longue route vers Vesta et Cérès grâce à un qui exercera pendant des années une poussée de quelques grammes seulement.

réalisée par l’ESA (Agence spatial européenne) compare deux sondes de même masse et avec la même quantité de carburant, l’une propulsée par fusée et l’autre par un moteur ionique :

Le résultat est sans appel : à partir d’une distance de 5 millions de kilomètres, la bonne vieille fusée est battue à plate couture. Avec une accélération constante et du temps, on peut …

Les moteurs à ions ont été imaginés dans les années 1960 : il s’agit en fait d’accélérer des noyaux d’atomes (du xénon, je ne sais pas pourquoi) dans un champ électrostatique. Le moteur fonctionne donc à l’électricité, et comme il n’utilise qu’une puissance raisonnable de l’ordre du kilowatt, des panneaux solaires suffisent.

Il y a déjà eu plusieurs tests et vols d’essai de moteurs ioniques, mais Dawn est la première mission longue distance à l’utiliser. Bon vol !

Vue d’artiste de Dawn dans les astéroïdes. Notez le joli jet d’ions bleuté

L’énergie de la foudre

Sun, 09 Sep 2007 00:00:00 +0000

Incorrigible. Voilà le type de question que je me suis posé récemment dans mon lit, pendant un bel orage nocturne : “Comment récupérer l’énergie de la foudre ?”

fournit plein d’informations intéressantes comme:

la puissance d’un éclair est d’environ 20 GigaWatts, soit 20 centrales nucléaires !
mais il ne dure que 25 millisecondes, donc l’énergie n’est que de 140 kWh, soit Frs 30.- d’électricité à tout casser…
Si on parvenait à capter l’énergie de tous les éclairs frappant la France, ça pourrait alimenter environ 5000 ménages. Seulement.

Bref, contrairement à une idée répandue que je partagais jusqu’ici, la foudre n’est pas une source d’énergie renouvelable potentielle et miraculeuse, même si veulent y croire…

De plus, même si on le voulait, on ne sait pas comment injecter 20 GW d’un coup sur le réseau. En fait, ça arrive accidentellement lorsque la foudre touche une ligne à haute tension, et en général on se retrouve dans le noir grâce aux “fusibles” du réseau.

L’alternative consisterait à stocker l’énergie pour la restituer plus lentement, mais là encore, il n’y a aujourd’hui aucune technologie permettant de stocker 140 kWh en 25 millisecondes. On pourrait penser à:

des condensateurs, mais comment les charger sous la tension de 100'000'000 Volts typique d’un éclair sans qu’il ne claquent ?
un anneau supraconducteur. Sur , on mentionne un anneau en développement qui serait capable de stocker 0,14 kWh en 1 seconde. Il faut encore gagner un facteur 1000 sur la capacité et 40 sur la vitesse. Ce n’est pas pour demain donc
une idée folle qui m’a traversé l’esprit, mais il faudrait faire des calculs pour évaluer son degré de folie : l’utilisation de . Intuitivement l’idée est la suivante:
1. foudroyer une tas de PZT, ce qui provoque une déformation mécanique très rapide (moins d’une milliseconde) : le matériau se comprime comme un ressort
2. restituer l’énergie en laissant le piezo se relaxer lentement.

Powder Game

Sun, 26 Aug 2007 00:00:00 +0000

Progrès en mécanique des fluides

Wed, 22 Aug 2007 00:00:00 +0000

La mécanique des fluides est l’un des domaines de la physique classique les plus difficiles, et des plus utiles.

Utile parce que l’écoulement d’un fluide intervient dans de très nombreuses applications de l’ingénierie, par exemple:

pour créer la force de portance qui soulève les avions
dans le refroidissement des circuits électroniques avec des ventilateurs et des radiateurs
dans les prévisions météo
dans les problèmes de tuyauterie, etc etc.

Difficile parce que les qui permettent de calculer le mouvement des fluides sont relativement simples à écrire, mais qu’on ne savait pas les résoudre sans faire faire énormément de calculs à de gros ordinateurs jusqu’ à il y peu. Ce qu’ il y a de nouveau récemment, c’est que:

La puissance des PC actuels permet désormais de simuler des fluides en temps réel en 2 dimensions. Après l’excellent petit jeu « » qui m’avait déjà étonné, par une vidéo spectaculaire, surtout après la 1ère minute:

voir aussi cette
Keenan Crane a écrit un (voir « « ), permettant de réaliser des animations réalistes, basées sur la physique, d’eau et de fumée en temps réel !

Cliquer pour une page avec vidéos
, une mathématicienne géniale pourrait bien avoir : trouver une solution aux équations de Navier-Stokes ! Si quelqu’un parvient à corriger ou contourner des erreurs trouvées dans des résultats précédents sur lesquelles elle s’est basée, on pourrait bientôt voir apparaitre de nouvelles méthodes de calcul beaucoup plus rapides. Voir:
- sur « Good Math, Bad Math »
- , très technique mais qui décrit les difficultés rencontrées lors de la vérification des résultats de Mme Smith.

Galaxies, Fenêtres sur l’Univers

Mon, 23 Jul 2007 00:00:00 +0000

Dévoré l’excellent . Les progrès de l’astrophysique dans la compréhension des Galaxies sur les 20 dernières années sont stupéfiants, et les conséquences sur la compréhension de la structure de l’Univers sont … mesmérisantes ! (je cherchais un mot encore plus fort que “stupéfiantes”, et en plus Google va aimer…)

En fait, l’étude des galaxies n’arrête pas de remettre en question nos certitudes:

Entre 1920 et 1930, Hubble confirme ce que le philosophe Emmanuel Kant avait postulé en 1755 déjà : de nombreuses “nébuleuses” observées sont en fait des “univers-îles” formées de milliards d’étoiles tout comme la “Voie Lactée” à laquelle nous appartenons. Comme à l’époque de Galilée, nous sommes remis à notre place : un endroit quelconque d’un Univers gigantesque.
Puis Hubble comprend la signification de ce que Vesto Slipher avait mesuré depuis 1910 : les galaxies s’éloignent de la notre d’autant plus vite qu’elles sont loin : l’Univers est en expansion, et donc a été à un certain moment extraordinairement dense avant de se dilater au cours du Big Bang. Einstein constate qu’il a fait “la plus grande erreur de sa vie” en fixant la valeur de la “constante cosmologique” qui apparaissait dans ses équations de façon à ce que l’univers soit obligé d’être en équilibre immuable. En fait c’est l’idée d’un Univers éternel, voire même d’un Univers créé qu’il n’a pas pu remettre en question.
Il y a quelques années, la grande question était d’expliquer la forme des galaxies, et en particulier les spirales. Normalement, les étoiles situées près du centre galactique devraient tourner autour de lui beaucoup plus vite que les étoiles de la périphérie, et les bras devraient s’enrouler en faisant beaucoup de tours au point de devenir invisibles.

En fait, ce sont des “ondes de densité” d’étoiles qui provoquent la structure spirale. Comme je n’ai pas retrouvé sur internet les illustrations très claires de l’article, j’en ai refait une. Vous voyez les spirales ? Elles ne sont pas dessinées, mais provoquées par la proximité d’ellipses légèrement décalées les unes par rapport aux autres, et c’est justement le long de trajectoires de ce type que des milliards d’étoiles gravitent autour de leur Galaxie : les bras spiraux ne sont que des régions où il y a momentanément une plus grande densité d’étoiles.
Il y a tellement d’étoiles dans une Galaxie (1000 milliards dans la Voie Lactée !) et les distances entre elles sont telles qu’il vaut mieux considérer une galaxie comme du gaz où les étoiles seraient des atomes qui s’attireraient mutuellement, et raisonner en termes de densité comme ci-dessus plutôt que de s’intéresser à la position de chaque étoile. On s’est aperçu que les simulations effectuées en ordinateur ne correspondaient pas à la réalité car il manquait de la masse : les étoiles ne sont pas suffisantes pour constituer une Galaxie qui “tourne rond”. La “masse manquante” a été partiellement découverte:
1. Dans le trou noir central qui habite chaque Galaxie. Celui qui se tapis au centre de notre Voie Lactée : il pèse autant que 3'000'000 de Soleils, c’est donc un petit comparé à ceux trouvés dans d’autres galaxies, et un trou très noir et inactif comparé à ceux qui propulsent des milliards de tonnes de gaz par jour (ou par seconde?) à la vitesse de la lumière dans l’espace inter galactique
2. Dans le gaz. Entre les étoiles d’une Galaxie, on trouve une dizaine d’atomes d’hydrogène par mètre cube d’espace. Presque rien. Mais “presque” multiplié par un volume titanesque de vide, ça fait des millions de masses solaires d’hydrogène et autres gaz qui remplissent la Galaxie. Expulsé par les étoiles mourantes, ce gaz s’agglomère en nébuleuses comme où il donne naissance à de nouvelles étoiles (voir plus bas)
3. Dans la . D’une nature mystérieuse, elle a pratiquement été “inventée” pour correspondre aux observations astronomiques. Elle devrait former un halo autour des galaxies, mais n’interagit avec rien autrement que par gravité… Découvrir ce qui se cache derrière cette notion est l’un des grands challenge de la physique du XXIème siècle.
Petit calcul : 1'000 milliards d’étoiles qui brillent pendant environ 3 milliards d’années en moyenne (le Soleil brille depuis 5'000'000'000 d’années et en a encore 5'000'000'000 à vivre parce que c’est une petite étoile, mais les grosses étoiles crament en moins d’un milliard d’années), ça fait qu’en moyenne une étoile s’éteint chaque jour dans notre Galaxie ! Puisque quelques étoiles fossiles rougeoient depuis 12 milliards d’années, les autres auraient du s’éteindre depuis longtemps. Conclusion : les Galaxies agissent comme des recycleuses d’étoiles, et la Voie Lactée allume environ une nouvelle étoile par jour aussi ! incroyable, non ?
Une Galaxie est donc à une bulle de gaz qui se condense en un brouillard vaporeux d’étoiles, orbitant autour d’un trou noir minuscule mais horriblement lourd, le tout baigné dans un halo sombre et mystérieux. Tout ça serait encore assez passif et peu intéressant s’il n’y avait pas des collisions de Galaxies ! Tous les quelques milliards d’années, la Voie Lactée avale des étoiles d’une Galaxie naine passant par là, tout en créant de terribles ondes de choc dans le gaz intergalactique (au lieu de 10 atomes par m3, il y en a soudain 20 !), ce qui suffit à créer des étoiles par millions et à rajeunir les deux galaxies, qui finissent par fusionner parfois. Voici à quoi va ressembler la rencontre de la Voie Lactée avec la Galaxie d’Andromède dans 2 milliards d’années: \[youtube dJRc37D2ZZY\]Rappelez-vous que les petits nuages bleus sont constitués de millions d’étoiles…
Si les collisions de Galaxies ne sont pas rares, c’est qu’elles sont regroupées en amas, eux mêmes regroupés en superamas gigantesques qui semblent s’être formés le long de filaments ou la matière s’est concentrée juste après le Big Bang.

L’Univers est non seulement incroyablement gigantesque, mais l’image selon laquelle il se dilue dans le néant en se refroidissant irrévocablement depuis le Big Bang est pessimiste. Il y l’air doté de mécanismes capables de produire pratiquement sans fin du neuf à coups de cataclysmes titanesques ou de subtils échanges s’étalant sur des milliards d’années.

A croire que la Création est loin d’être finie…

Line Rider

Mon, 23 Jul 2007 00:00:00 +0000

Parcours Etranges

Wed, 06 Jun 2007 00:00:00 +0000

Le blog “ sous-titré “Physique, calcul et philosophie” est l’un de mes préférés peut-être parce qu’il cause de certaines choses que l’on trouve aussi sur Dr. Goulu comme:

“ ” sur les
le prodigieusement complet et bien documenté article intitulé “ ” qui décrit par le menu diverses solutions au voyage interstellaire, parmi lesquelles le voyage à vitesse relativiste décrit dans ma nouvelle “ ”. “Gilgamesh”, tu peux écrire un bouquin sur la base de ton article, j’achète.
De magnifiques photos d’astronomie comme celle-ci qui sert de bannière à

[

](/?attachment_id=251 “Galaxie M104 (Sombrero) en lumière infrarouge”)

Armadillo Run

Fri, 01 Jun 2007 00:00:00 +0000

est un jeu GENIAL. Je ne m’étais plus autant marré en me cassant la tête depuis (TIM) et Lemmings (que je viens de trouver ! wow !)

est à la base un casse-tête basé sur la simulation physique. Il s’agit de faire passer une balle de basket d’un point de départ à un point d’arrivée en construisant des rampes, tremplins et autres structures. Mais on peut aussi le voir comme un jeu de construction virtuel permettant de faire des mécanismes délirants comme dans cette vidéo:

\[youtube uH4SS2oG\_uc\]

Très inspiré de TIM, Armadillo Run apporte non seulement une jolie représentation 3D mais surtout un comportement physique bien plus recherché grâce à l’utilisation de l’élasticité : tout se déforme sous l’effort et peut rompre si la fore devient trop grande. Comme on peut même précontraindre des structures, ce jeu devrait occuper un bout de la retraite de mon …

J’allais commencer ce article en disant qu’Armadillo Run est un “petit jeu” car il n’est pas cher ($20) et disponible sur le net, mais c’est un GRAND JEU. Avant de casquer, vous pouvez télécharger une version de démo permettant d’apprendre à jouer et de passer les premiers niveaux.

Grâce à Armadillo j’ai découvert , un blog très complet consacré aux jeux basés sur la simulation physique qui mentionne quelques autres créations auxquelles il faudra bien jetter un coup d’oeil…

Le rayon vert

Mon, 28 May 2007 00:00:00 +0000

Dans “Pirates des Caraïbes 3” le “rayon vert” permet de revenir du monde des morts. Comme c’est un “green flash” en anglais, Hollywood en a fait un effet spécial spectaculaire, mais existe-t-il vraiment ?

Et bien oui! C’est un qui se produit au coucher du Soleil sur la mer, par temps calme : une lueur verte apparait au dessus du Soleil et reste visible après que le disque solaire soit passé derrière l’horizon.

On peut en trouver quelques photos sur le net, souvent de mauvaise qualité car comme le phénomène est imprévisible, il est rarement pris avec le télescope de rigueur, mais voici les meilleures:

On en trouve quelques unes de plus Il existe quelques vidéos sur YouTube, mais elles sont de trop mauvaises qualité. J’ai tenté d’y mettre la vidéo de haute qualité qui

\[15 Mb pour 6 secondes !\]

, mais la compression YouTube a éliminé le vert…

Je connais une personne qui a vu le “rayon vert” et m’a dit que c’était une expérience inoubliable. Alors regardez bien le soleil couchant quand vous êtes au bord de la mer !

Références:

avec nombreux liens vers des photos
(ajoutée le 28.5.2011)

Gecko artificiel

Wed, 23 May 2007 00:00:00 +0000

Ils l’on fait : un robot capable de grimper sur du verre en utilisant la force de Van der Waals.

\[youtube odAifbpDbhs\]

Le imite le gecko, dont on a compris comment les pattes fonctionnaient qu’en 2002.

Depuis, il a été possible de créer des matériaux adhésifs sur le même principe. Spiderman n’est plus très loin. En attendant, une équipe de Carnegie Mellon a fait un robot moins joli, mais plus rapide et capable de marcher au plafond !

Références:

(en anglais, la version française est totalement indigeste)

GPUs et Physique

Sat, 19 May 2007 00:00:00 +0000

Dans votre ordinateur, il y a un CPU (Central Processing Unit) de chez Intel ou AMD communément appelé “processeur”, et un GPU (Graphics Processing Unit) de chez nVidia ou ATI. Il n’y a pas si longtemps, le GPU était un circuit “fermé”, non programmable par le commun des mortels, entièrement dédié à la production de belles images sur votre écran. Depuis quelques années, ces circuits sont devenus programmables pour permettre de produire de très beaux effets graphiques, et leur puissance à augmenté, augmenté… A tel point qu’aujourd’hui, votre GPU contient probablement plus de transistors que votre CPU, et est certainement capable de résoudre certains problèmes plus rapidement !

Alors qu’un CPU a maintenant 2 coeurs capables d’exécuter chacun quelques dizaines de tâches complexes en (quasi-) parallèle, un GPU peut exécuter un petit programme appelé “shader” pour chaque point de l’écran (presque) en même temps, soit traiter des milliers de données (presque) simultanément. Pour autant qu’un problème puisse être ramené à celui de petits points “intelligents” qui ne parlent et écoutent que leurs voisins immédiats, le GPU va le résoudre bien plus vite que le CPU.

Quelques exemples:

la , déjà mentionné dans l’article sur , mais on reste dans le monde de l’inutile beauté des mathématiques.
, déjà mentionné qui combine la fonction principale d’une carte graphique, représenter une scène en 3D, avec des calculs relativistes nécessitant 4 dimensions grâce au fait que les GPU traitent 4 composantes de couleur RGBA (Rouge, Gert, Bleu, trAnspArent)
Et là je viens de tomber sur plusieurs références expliquant comment simuler la gravitation entre N corps avec un GPU, ce qui permet de simuler une mini galaxie de 8192 étoiles beaucoup plus vite qu’avec un CPU:
- Mark Harris “Mapping Computational Concepts to GPUs”, nVidia ( )
- Francisco Chinchilla, Todd Gamblin, Morten Sommervoll “Parallel N-Body Simulation using GPUs ( )
- L. Nyland, M. Harris, and J. Prins, “N-body simulations on a GPU,” in Proc of the ACM Workshop on General-Purpose Computation on Graphics Processors, 2004.
- Tsuyoshi Hamada, Toshiaki Iitaka, “The Chamomile Scheme: An Optimized Algorithm for N-body simulations on Programmable Graphics Processing Units” , 2007 ( )

Pour rester au courant sur ce sujet, suivre le site de référence (General-Purpose Computation Using Graphics Hardware)

Tout ceci et la récente fusion d’AMD (CPU) et d’ATI (GPU) fait penser que les prochains processeurs combineront peut-être les avantages respectifs des CPU et des GPU. Peut-être en coupant la poire en deux en faisant beaucoup de coeurs simples, comme dans le “Cell” d’IBM qui trône dans les PlayStation 3 ? Il faudra encore apprendre à programmer ce genre de puces pour en tirer toute la puissance…

Compte à rebours stellaire

Wed, 09 May 2007 00:00:00 +0000

L’explosion d’étoile la plus violente jamais mesurée a été annoncée hier. Une géante rouge supermassive, 150 fois plus lourde que le Soleil a explosé dans la Galaxie NGC 1260, située à 240 millions d’années-lumière. La SN2006gy est devenue plus brillante que le noyau de cette galaxie, environ 50 millions de fois plus brillante que le Soleil pendant plus de 3 mois, et a ainsi battu le record de luminosité de toutes les supernovas enregistrés jusqu’ici. Plusieurs supernovas sont détectées chaque année dans les galaxies distantes, une poignée par millénaire seulement dans la Voie Lactée:

- observée par les Chinois
- la plus brillante observée sur Terre durant les temps historiques.
- ses restes forment la
- moins connue
- observée par , dont le livre De Nova Stella sur le sujet donna le mot « nova »
- observée par (parfois appelée étoile de Kepler), c’est la dernière supernova à avoir été observée dans notre Galaxie

quelques autres depuis:

a du exploser vers 1680 et aurait normalement pu être observée sur Terre. On ne sait pas pourquoi personne ne l’a vue.
- visible à l’œil nu dans la très voisine de la nôtre
- observée dès le début dans le .
- décrite au début de cet article

La prochaine sera très probablement “Eta Carina” une géante rouge supermassive située dans . Cette étoile crache de la matière depuis quelques années, signe qu’elle atteint la fin de sa courte vie (plus une étoile est grosse, plus elle brûle vite : les étoiles de cette taille ne vivent pas plus longtemps qu’un million d’années, contre des milliards pour notre petit Soleil) Les astronomes sont donc en train de braquer leurs instruments sur Eta Carina pour assister “bientôt” à ce qui pourrait devenir le plus fabuleux spectacle spatial de tous les temps. (“bientôt” c’est entre “demain” et “dans quelques siècles”, mais probablement pas des millénaires)

Parce que j’ai gardé le meilleur pour la fin : Eta Carina n’est qu’à 7500 années lumières d’ici. Juste assez loin pour que son explosion soit bien visible la Terre, peut-être même plus lumineuse que le Soleil, mais pas assez près pour que nous soyons grillés par les particules émises et notre Soleil soufflé comme une bougie par l’onde de choc. Bonne nouvelle, non ?

Plus froid que l'espace

Wed, 09 May 2007 00:00:00 +0000

L’annonce du m’a rappelé une anecdote sympa.

Alors que j’étais jeune assistant à l’Institut d’Automatique, un chercheur de l’Institut de Physique débarque en demandant un coup de main pour un problème de “régulation de température”. Le prof, pensant à un simple problème du genre thermostat de chauffage central l’envoie au débutant : moi.

Là le gars m’explique qu’il essaie de régler la température d’un récipient autour de 0.1 degré Kelvin (-273°, à peine au dessus du …) ! Son utilise la différence de comportement de deux isotopes de l’hélium (He3 et He4) à ces températures pour refroidir encore plus, par un phénomène que je n’ai toujours pas compris…

Bref, on discute un peu de la dynamique très spéciale de son système et de la méthode de réglage ad-hoc, puis on va manger un morceau et on discute un peu. Je lui demande ce qui l’intéresse dans le domaine de la et là il me dit un truc génial :

“Depuis le Big-Bang qui était infiniment chaud, l’Univers se dilue et refroidit. Actuellement le vide spatial a la température du “rayonnement fossile” à 3°K, et aucun point de l’Univers ne peut être naturellement plus froid. Donc les phénomènes comme la de l’hélium ou les condensats de Bose-Einstein n’ont jamais existé nulle part dans tout l’Univers, sauf dans les labos de cryogénie des êtres intelligents, les Homo Sapiens et les autres.”

Cool, non ?

Plus froid que l’espace

Wed, 09 May 2007 00:00:00 +0000

L’annonce du m’a rappelé une anecdote sympa.

Depuis le Big-Bang qui était infiniment chaud, l’Univers se dilue et refroidit. Actuellement le vide spatial a la température du “rayonnement fossile” à 3°K, et aucun point de l’Univers ne peut être naturellement plus froid. Donc les phénomènes comme la de l’hélium n’ont jamais existé nulle part dans tout l’Univers, sauf dans les labos de cryogénie des êtres intelligents.

Ultrasons Anti- (et Pro-) Ados

Fri, 27 Apr 2007 00:00:00 +0000

J’avais sans trop y croire entendu parler d’une sonnerie de Natel (= “téléphone portable” pour les Gaulois) qui serait tellement aigue qu’elle serait inaudible pour les adultes, d’où son intérêt pour être joignable en classe alors que ces engins sont censés être débranchés…

Et bien le vraiment et fonctionne comme décrit sur le , où l’on peut rapidement tester sa perception des sons aigus avec 5 sons révélant de manière imparable la .

Par contre je viens d’apprendre l’existence d’un engin dont la légalité reste à discuter : le “ ” de la société “ ”, défini comme un “ultrasonic youth deterrent for homes and shops”, donc un “chasseur de jeunes pour la maison et les magasins”… Il s’agit d’un émetteur d’ultrasons assez puissant à placer aux endroits ou des vieux cons personnes d’un certain âge souhaitent éviter que des groupes de jeunes ne s’agglutinent. Le sifflement produit est très désagréable pour eux, mais inaudible pour les astucieux propriétaires de l’engin…

Voir aussi : “ ”, un test de l’ouïe assez complet mais malheureusement pas assez fin dans les hautes fréquences (pas de doute, je plafonne à 15 Khz, mais à mon âge c’est normal…)

Gliese 581

Wed, 25 Apr 2007 00:00:00 +0000

L’équipe de , qui avait détecté la première exoplanète en 1995 vient de refaire très fort en détectant la première planète comparable à la Terre autour de l’étoile Gliese 581, distante de 20 années lumière environ.

Cette planète est rocheuse, environ 1.5x plus grosse que la Terre et orbite assez près de l’étoile, mais celle-ci est moins lumineuse que le Soleil, ce qui fait que la planète est dans la zone où la température permet la présence d’eau liquide. Bref, c’est jusqu’ici la meilleure planète candidate à un éventuel développement de la vie, et on peut parier que beaucoup d’instruments vont être pointés sur elle pour obtenir plus d’informations sur la probabilité d’existence des Gliesiens.

Les où d’autres exoplanètes plus grosses avaient déjà été détectées et son sont disponibles sur cet .

Pour ceux que les performances techniques impressionnent encore, cette planète a été détectée en mesurant par le spectrographe HARPS (High Accuracy Radial Velocity for Planetary Searcher) qui a mesuré des variations de vitesse de l’étoile de l’ordre de 2 à 3 m/s, soit 10 km/h seulement. Wow !

Cavitation

Sun, 11 Mar 2007 00:00:00 +0000

A lire sur deux articles d’introduction à un sujet qui m’intéresse depuis peu :

: l’équivalent du mur du son pour les bateaux
: le phénomène qui en est la cause

Je n’avais jamais réalisé l’analogie entre le mur du son à 1000 km/h pour les avions et celui des ~90 km/h pour les bateaux. Je ne sais d’ailleurs pas si cette idée est très répandue chez les spécialistes car je n’en ai trouvé que très peu de traces. peut-être qu’ils n’osent pas s’aventurer à comparer des phénomènes en principe si différents, alors que moi qui ne suis pas (encore) un professionnel de ce domaine, je peux …

Il neige de beaux flocons !

Tue, 23 Jan 2007 00:00:00 +0000

Voici enfin la première neige, (pourvu que ça dure…), l’occasion rêvée de se demander pourquoi les flocons de neige sont si beaux et variés.

Oui, le “bâton percé” est aussi un “flocon” de neige!

Justement il y a un excellent article ¹ à ce sujet dans le Pour La Science de février 2007. Le site de l’auteur montre de nombreuses images figurant aussi dans l’article, de même que ce diagramme :

Ce diagramme montre dans quelles conditions de température et d’humidité se forment les principaux types de flocons, le long de la courbe qui définit la saturation en eau. C’est là le point important : les flocons se forment à partir de vapeur qui se condense et se solidifie instantanément autour de particules déjà solidifiées.

Les turbulences qui entrainent les flocons dans les nuages font varier les conditions de température et d’humidité pendant la formation des flocons, ce qui donne une énorme variété de formes.

J’adore cette histoire : depuis 1932 et pendant toute la 2ème guerre mondiale, le physicien nucléaire japonais Ukishiro Nakaya a été nommé professeur au nord du Japon, où il n’y avait aucune installation nucléaire. Il a donc étudié la neige jusqu’en 1954, année où il publia un ouvrage magistral en la matière, répertoriant des centaines de formes de flocons de neige classées dans les catégories ci-dessous:

Comme quoi un physicien peut être un peu poête, même dans un pays ravagé …

Référence :

Kenneth Libbrecht, “ ”, Pour la Science N°352 - fevrier 2007

Comment construire une machine à explorer le temps ?

Fri, 16 Jun 2006 00:00:00 +0000

Dans ce livre propose le schéma de principe d’un système permettant en créant un :

un collisionneur crée un . Les accélérateurs d’ions lourds comme le du peuvent produire ces plasmas, à une température de 1013 .
un « imploseur » comprimerait ensuite ce plasma par un facteur 1019 pour atteindre la , ce qui formerait éventuellement un minuscule trou de ver. L’énergie nécessaire n’est pas élevée grâce au très faible volume, mais la technologie n’est pas disponible actuellement. Davis propose d’utiliser un dispositif amélioré, en le ceinturant d’une sphère de bombes thermonucléaires.
un « inflateur » est ensuite chargé d’agrandir le trou de ver par de l’ “ ”, correspondant au niveau d’énergie que l’on trouve entre les plaques de l’ . Paul Davies propose diverses idées liées à l’ ou à l’ , mais l’inflateur est certainement le composant le plus hypothétique de la machine…
le trou de ver étant créé, le « différentiateur » est chargé de créer une différence temporelle entre ses deux extrémités. On peut soit accélérer une extrémité A, chargée, à vitesse relativiste dans un accélérateur de particules, soit la placer dans le champ gravitationnel d’une , pendant que l’extrémité B vieillit en même temps que les expérimentateurs, mettons pendant 10 ans.

En entrant dans l’extrémité B, et en ressortant en A, le voyageur remontera dans le temps de 10 ans, soit au moment de la création de la machine.

Une telle machine permet d’expliquer le “paradoxe de Hawking” selon lequel, si le voyage temporel était possible, nous aurions la visite de voyageurs temporels. En effet, la machine de Davies ne permet pas de remonter avant le moment de sa construction.

Références :

Paul Davies (2002). How to Build a Time Machine. Penguin Books Ltd.
Paul Davies (2007). Comment construire une machine à explorer le temps ?. EDP Sciences.

Mis à jour le 29/2/2012 : j’avais initialement ajouté ce texte à l’article sur le dans la Wikipedia , il a ensuite été déplacé à l’article “ ”. Je viens de le reprendre avec les liens et en y ajoutant la référence claire aux livres

la fusion thermonucléaire

Sun, 11 Dec 2005 00:00:00 +0000

pourquoi il ne faut pas trop compter sur cette “source inépuisable d’énergie abondante, bon marché et non-polluante”

La ? c’est quoi ?

C’est ce qui fait briller les étoiles : aux pressions et températures extrêmes qui règnent au centre des étoiles, les atomes légers peuvent fusionner en atomes plus lourds, en dégageant beaucoup d’énergie.

Cette réaction fait également produire de la matière aux étoiles, convertissent ainsi peu à peu l’hydrogène qui constitue encore 98% des atomes de l’Univers en helium, qui en constitue 1%. Lorsqu’une étoile est trop “polluée” par de l’hélium, la réaction s’arrête, l’étoile s’effondre sur elle-même, et, si elle est assez massive, se chauffe suffisamment pour faire démarrer une fusion de l’hélium et ainsi de suite, en produisant, l’azote, le carbone, l’oxyogène etc.

La machine s’arrête avec le fer, qui est l’atome le plus “stable” : fusionner du fer ne produit pas d’énergie, mais en consomme. C’est ainsi que les atomes encore plus lourds comme l’uranium qui sont formés par accident “contiennent de l’énergie solaire” qui sera restituée lorsque ces atomes se casseront par la fission nucléaire exploitée dans les centrales nucléaires “classiques”, ce qui n’a donc rien de commun avec la fusion.

Et sur Terre ?

La fission nucléaire a été comprise dans les années 1930, utilisée dans la bombe A d’Hirsohima en 1945 et exploitée de manière “civile” pour la production d’énergie dès les années 1950. La fusion a été prévue par Andreï Sakharov et Ilia Frank dans les années 1940. Sakharov a ensuite mis au point la terrible bombe H dès 1952 avant de devenir dissident et Prix Nobel de la Paix.

La bombe H est en fait une bombe A “à charge creuse” dont l’explosion est concentrée sur un peu d’hydrogène (plutôt du deuterium comme on le verra plus loin). L’hydrogène est alors tellement comprimé et chauffé qu’il fusionne, multipliant par plus de 100 la puissance de la bombe A.

Au chalet nous avons un petit livre sur la fusion thermonucléaire datant des années 60 dont l’introduction dit en gros : dans 30 ans (donc en 1990…), la fusion thermonucléaire fournira la planète en électricité. Depuis 50 ans des milliers de physiciens essaient désespérément de faire produire un peu d’électricité par fusion, alors qu’il avait suffi de 10 pour passer de la bombe A à la centrale nucléaire à fission.

Pourquoi ça ne marche pas ?

“Fusionner des atomes”, c’est en fait fusionner les noyaux des atomes, et les noyaux d’hydrogène sont en fait composés d’un seul proton. Un proton c’est:

une petite masse
minuscule
chargé électriquement positivement

Pour en faire fusionner 2, il faut qu’ils se télescopent assez violemment, et c’est difficile parce que:

comme les deux ont la même charge (+), ils se repoussent l’un l’autre, donc il faut les catapulter l’un vers l’autre avec une vitesse assez grande pour que l’énergie de répulsion soit moins forte que l’énergie cinétique des noyaux
comme ils sont tout petits, il faut “bien viser” : si les deux atomes ne sont pas en collision frontale, leur charge les fera s’écarter.

Dans les étoiles, la recette est la suivante:

on met énormément d’atomes dans un petit volume grâce à une pression colossale
on chauffe un petit peu (quelques millions de degrés suffisent…) pour que les noyaux aient une bonne énergie cinétique
si une collision échoue, ce n’est pas grave car la probabilité qu’une collision se produise après reste très élevée.

Sur Terre, le problème est qu’$ part dans une bombe atomique, on arrive pas à créer une pression approchant le millième de celle qui règne au centre d’une étoile, donc:

on doit chauffer beaucoup plus pour que les noyaux aient une vitesse encore plus élevée et ainsi obtenir la même probabilité de collision que dans une étoile
on doit faire en sorte que ces particules beaucoup plus rapides restent dans une zone ou elles ont une forte probabilité de collision.

Deutérium et Tritium

En fait on est obliger de “tricher” pour avoir une petite chance d’espérer : on n’utilise pas de l’hydrogène “simple” mais du deutérium qui est un isotope de l’hydrogène avec un neutron collé au proton, ce qui double la masse des noyaux à fusionner, donc double l’énergie cinétique des noyaux en gardant la même répulsion électrique, ce qui permet de moins chauffer. Le deutérium représente environ 2% de l’hydrogène présent sur Terre, donc en quantité quasi-infinie dans les océans, mais il faut quand même l’extraire et ce n’est pas trivial.

Par désespoir on en est même venus à vouloir utiliser du tritium, isotope de l’hydrogène doté de 2 neutrons, mais cet élément très rare et instable doit être “fabriqué” lors d’une réaction qui émet des neutrons. On s’éloigne donc encore plus du principe de l’“énergie des étoiles”. Dans le paragraphe “Helium 3” ci-dessous j’explore une alternative osée à cette approche.

Confinement

Dans une étoile flottant librement dans l’espace, la zone de fusion est de forme sphérique et entourée par des milliers de kilomètres de gaz qui servent à la fois de combustible, d’enceinte à pression et d’isolant thermique, puisque la surface du soleil n’est qu’à 5000° environ.

Sur Terre il faut créer un “isolant” capable de maintenir un plasma de gaz à plusieurs millions de degrés, si possible sous “pression”, à quelques mètres de matériaux qui n’en supportent pas plus de quelques centaines. Il faut accessoirement chauffer ce plasma jusqu’à ce que la réaction s’amorce sans pouvoir rien “tremper” dedans, et trouver un moyen de faire revenir dans la zone de fusion des noyaux rapides qui ne pensent qu’à s’en écarter…

Un tokamak avec un monsieur dedans pour donner l’échelle…

Les “tokamaks” actuels et le futur ITER confinent le plasma en forme de tore (=“pneu”) à l’aide de très puissants champs magnétiques dont les lignes de champ fermées permettent de satisfaire le cahier des charges ci-dessus, mais encore une fois de manière très différente de ce qui se passe dans les étoiles.

Helium 3

Une réaction de fusion non-radioactive et qui se déroule à température moins élevée est He3 + D -> He4 + H

He3 est l’isotope 3 de l’hélium, qui a le léger défaut de n’être produit sur Terre qu’en très faible quantité (15 kg/an). Par contre, il existe4 sur la Lune en quantités énormes : il est produit dans la couronne solaire et transporté par le vent solaire, dévié par le champ magnétique terrestre, il n’arrive pas sur Terre, mais imbibe le sol lunaire.

Il est très possible que l’Helium3 soit non seulement la seule ressource naturelle intéressante de la Lune, mais que son exploitation commerciale puisse devenir une industrie aussi rentable que le pétrole, disons dans un siècle. Certaines entreprises se préparent déjà à la course.

Conclusion

La fusion contrôlée est donc beaucoup plus complexe à mettre en œuvre que la fission, dans laquelle “yaka faire une bombe atomique qui pète lentement”. De plus, alors qu’on dit souvent que la fusion est un “Soleil en laboratoire”, propre, écologique etc, on va en fait vers l’utilisation d’une réaction différente de celle existant dans la nature, mise en oeuvre de manière très différente aussi. Les physiciens ne sont donc pas en train de reproduire un phénomène naturel existant, mais d’en inventer un complètement nouveau.

Ceci va vraisemblablement prendre beaucoup de temps, pour autant que ça réussisse. On parle aujourd’hui de 50 ans à un siècle avant que cette forme d’énergie soit exploitable commercialement. Il est très probable que ça ne sera pas prêt au moment de l’épuisement du pétrole, donc que l’humanité devra trouver autre chose entre la fin des énergies fossiles et le début de la fusion.