Il fut un temps, pas très lointain, où nombreux étaient les scientifiques qui avaient la conviction que l’humanité était toute proche d’avoir compris l’ensemble de l’univers, et n’émettaient aucun doute sur la complétude de nos théories.
Lord Kelvin
Une phrase attribuée à William Thompson (Celui qui détermina le zéro absolu à -273,15°C et sera rebaptisé Lord Kelvin après son anoblissement en 1892) et qu’il aurait prononcé lors d’une réunion à Londres, témoigne de cette confiance absolue dans les théories scientifiques : « There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement. » (NB: De nombreux livres, et sites internet, attribuent cette citation à Lord Kelvin. Toutefois cette citation n’est jamais sourcée. )
Il y a bien 2 ou 3 petits points qui empêchent d’être complètement satisfait, mais il ne fait pas de doute que c’est une question de temps avant de les comprendre.
Et effectivement en peu de temps, ces « détails » vont être compris, mais à chaque fois les conséquences seront quelque peu inattendues….
Le premier de ces détails concerne l’expérience de Michelson-Morley : Pendant longtemps les physiciens ont supposé que la lumière, en tant qu’onde, se propageait dans un fluide qu’on appelait « éther », de la même manière que le son se propage dans des milieux matériels. L’éther devait donc être ce qui remplissait le vide de l’univers.
L’expérience de Michelson-Morley avait pour but de démontrer l’existence de cet éther, en mettant en évidence des différences de vitesses entre 2 parcours de même longueur, perpendiculaires entre eux, et à 6 mois d’intervalle.
Expérience de Michelson-Morley
Cette expérience n’a jamais permis de déceler la moindre différence de vitesse. Morley et Michelson conclurent que cette différence pouvait être trop faible pour être détectée, et réitérèrent l’expérience à plusieurs reprises, mais toujours avec un résultat négatif.
Cette première poussière dans les rouages de la physique aboutira plus tard à un autre bouleversement, celui de la relativité d’Einstein. Notre sens commun va déjà être mis à rude épreuve : Notamment, l’espace et le temps ne sont plus absolus mais relatifs.
Le deuxième nuage qui obscurcit le ciel des théories physiques du XIXe siècle, est le problème dit du « rayonnement du corps noir » : A la fin du XIXe siècle, les physiciens s’intéressent de plus en plus aux rayonnements émis par la matière lorsqu’on la chauffe ou lorsqu’on l’éclaire.
Le problème, le voici : En 1893 Wien établit une loi expérimentale donnant le flux énergétique en fonction de la longueur d’onde et la température. Cette loi fonctionne très bien dans les faibles longueurs d’ondes jusqu’à l’ultra-violet, mais ce n’est plus le cas lorsque les longueurs d’ondes sont plus élevées.
Puis c’est la loi de Rayleigh-Jeans qui est établie (par les deux scientifiques du même nom)
Cette loi au contraire de la première, s’accorde très bien avec les résultats expérimentaux pour des longueurs d’ondes élevées (donc des fréquences basses) Mais à partir du violet, plus rien ne va…
Comparaison Loi de Wien/Loi de Rayleigh-Jeans
Cette situation est donc plutôt dérangeante, puisque dans l’idéal harmonieux de Lord Kelvin, c’est une seule et même loi que l’on devrait avoir, et non pas deux morceaux qu’on rafistole avec du scotch ! De plus le calcul théorique de l’énergie totale émise donnait un résultat infini, ce qui constitue bien sur une absurdité.
Et puis il y a une troisième interrogation qui concerne des travaux menés d’abord par Heinrich Hertz, puis par d’autres physiciens : Hertz avait remarqué qu’une plaque de métal exposée à la lumière ultraviolette, se chargeait électriquement, ce qui amena alors la conclusion que la lumière pouvait transmettre de l’énergie au métal au point de permettre de lui arracher des porteurs de charges (négatives, c’est-à-dire les électrons)
Les physiciens avaient remarqué que le nombre d’électrons arrachés était proportionnel à l’intensité de la lumière fournie. Jusqu’ici tout va bien ! Mais ils remarquèrent également que la vitesse d’éjection des électrons ne dépendait pas de l’intensité, mais de la fréquence de la lumière incidente : Plus la fréquence est élevée, plus les électrons éjectés possèdent une énergie cinétique élevée. Ainsi il existe une fréquence minimale en-dessous de laquelle plus aucun électron n’est éjecté. Et rien dans les lois de ce qu’on appelle aujourd’hui « physique classique » ne permet d’apporter une explication à ce comportement.
Max Planck
Arrive alors la fin de l’année 1900 et les premières secousses dans l’édifice de la physique. En octobre Planck réussi à établir une loi spectrale qui est complétement en accord avec l’expérience. Le 14 décembre,il lit à Berlin, devant les membres de la société Allemande de physique, le mémoire qui en découle et intitulé « Sur la théorie de la loi de la distribution d’énergie du spectre normal » . Mais pour arriver à cette loi, Planck explique qu’il a du se laisser aller à une hypothèse qui va faire grincer des dents: Il propose que l’émission d’énergie lumineuse ne se fasse pas de manière continue, comme cela découlerait intuitivement de nos lois classiques, mais de manière discontinue ! (Planck lui-même avait du mal à accepter cette discontinuité, et considérait cela comme un effet artificiel découlant des formules mathématiques)
Dit comme ça, le choc que constitue une telle hypothèse peut ne pas être évident à première vue, mais pour faire une analogie c’est un peu comme si tout d’un coup on vous disait du jour au lendemain, qu’on ne l’avait jamais remarqué mais il est physiquement impossible de remplir vos verres d’eau autrement que par volume de 2cl : Vous pourriez mettre 2cl, 4cl, 8cl, mais pas 1cl ni 5,5cl. (Il est vrai que certains diront que cela n’est pas vraiment un problème tant que l’on peut encore doser correctement le pastis)
Planck énoncera alors sa célèbre loi incluant la constante qui porte son nom : E=h.ν
Avec, ν la fréquence, h la constante de Planck (6,62. 10^-34 j-s) et E le quanta d’énergie.
Cette hypothèse des quantas d’énergie en trouble déjà plus d’un, mais ce n’est que le début, car 5 ans plus tard c’est un certain Albert Einstein qui va faire ressentir une seconde vague de secousses à la physique, en envoyant à Max Planck son mémoire : « Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière »
Einstein a lu avec attention le mémoire de Max Planck, et autant dire qu’il a « kiffé ». Il va alors aller encore plus loin : Selon Max Planck, les échanges d’énergies entre rayonnements électromagnétiques et matière sont quantifiés. Selon Einstein c’est carrément la lumière qui est quantifiée ! Autant dire que ceux qui n’avaient pas l’émail des dents solides ont dû faire la joie de leur dentiste ! (Il faut rappeler qu’à l’époque la lumière est une onde absolument continue, comme toutes les ondes)
Pour aboutir à ce résultat, Einstein s’est penché sur le problème du photoélectrique que n’arrivaient pas à résoudre Hertz et ses collègues de jeu. Mais il a attaqué le problème avec l’idée des quantas d’énergie de Planck en tête.
Einstein a alors proposé que le quantum d’énergie h.ν était en fait transporté par une particule, un grain de lumière (qu’il appellera « photon » à partir de 1923) Cette transformation de la lumière en un phénomène discontinu, va alors lui permettre d’apporter une explication à la photoélectricité : Si Ec est l’énergie cinétique d’un électron et Eg l’énergie nécessaire pour l’arracher, alors Ec=h.ν – Eg
Autrement dit, si h.ν, l’énergie transportée par un grain de lumière, est inférieure à Eg, alors l’électron qui absorbe ce grain, n’a pas assez d’énergie pour être arraché.
Cette discontinuité de la lumière va avoir tellement de mal à passer, qu’il faudra attendre plus de 10ans avant qu’elle ne soit vraiment considérée comme une particule, et ce malgré les nombreuses expériences et résultats validant systématiquement la formule d’Einstein.
Nous voilà maintenant en 1913 avec Niels Bohr pour une troisième vague intenses de secousses. Rutherford a établi en 1910 un modèle planétaire de l’atome, avec un noyau jouant le rôle du soleil, et des électrons qui gravitent autour. Mais ce modèle souffre d’un énorme problème : présenté de cette façon, les électrons devraient venir s’écraser très rapidement sur le noyau.
Pour éliminer cette contradiction Niels Bohr va introduire la discontinuité au cœur de l’atome en proposant que les orbites des électrons ne peuvent pas varier de manière continue.
Ainsi un électron ne peut changer d’orbite que par « saut », il passera sur une orbite plus élevée si l’énergie nécessaire lui est fournie sous la forme d’un photon et passera sur une orbite plus basse en émettant un photon dont l’énergie sera égale à la différence entre les deux niveaux orbitaux.
Ce modèle théorique va connaitre un grand succès rapidement, tant il permet de comprendre les raies dans le spectre d’émission des différents objets.
Lorsque la première guerre mondiale éclate, la folie quantique a déjà fait beaucoup de ravages. En moins de 15 ans, la vision continue de l’univers a volé en éclat: L’énergie a été quantifié, la lumière a été quantifié, et même l’atome n’a plus rien de continue.
Et pourtant les scientifiques n’étaient pas au bout de leurs surprises.
En 1924, l’un des rares français s’intéressant à la nouvelle théorie quantique, Louis de Broglie, est très intrigué par la dualité onde/corpuscule de la lumière. En s’appuyant sur les travaux d’Einstein, il généralise la dualité onde/corpuscule aux électrons et plus généralement à toutes les particules de matière (cette hypothèse sera validée en 1927 par l’expérience de Davisson-Germer). Cela va beaucoup inspirer un autre grand acteur de cette histoire qui trouve la théorie de de Broglie tout à fait génial: Erwin Schrödinger, père de ce que l’on appelle la “mécanique ondulatoire”, qui énoncera en 1925 une équation décrivant l’évolution temporelle de la fonction d’onde associée aux particules de matière et permettant de décrire leurs mouvements. C’est l’équivalent en physique classique du fameux “Somme des forces égal m.a”. Sauf que contrairement à la mécanique classique où les observables d’un système (vitesse, position, énergie, etc…) ont des valeurs bien définies, en mécanique quantique un système est décrit par tous les états dans lesquels il peut se trouver. La fonction d’onde issue de l’équation de Schrödinger permet d’attribuer à chacun de ces états, la probabilité que la particule soit “vue” dans cette état lors d’une mesure.
Cela change la représentation de l’atome qui devient alors un noyau autour duquel se réparti un ensemble de vibrations électroniques.
Dans le même temps, une autre figure emblématique de la physique quantique, propose une formulation mathématique complètement différente de celle de Schrödinger. C’est Werner Heisenberg. Il a laissé tomber toute représentation matérielle de l’atome et va faire dans le beaucoup plus abstrait en représentant les informations que l’on peut connaitre sur l’atome par des tableaux de nombres qu’on appelle matrice, d’où le nom de “mécanique matricielle”. (Il sera aidé de Max Born et Pascual Jordan). Chaque atome devient alors un tableau de nombres.
Mais contrairement à des nombres normaux, utilisés en mécanique classique, les matrices d’Heisenberg ne sont pas commutatives. Plus clairement : 6×7 = 7×6, alors que la multiplication d’une matrice A correspondant aux vitesses, par une matrice B correspondant aux positions ne donnera pas le même résultat que BxA. De cette “bizarrerie” (en fait ce n’est pas si bizarre que cela: faire une mesure, modifie l’état d’une particule. Ainsi mesurer la position puis la vitesse n’aboutira pas au même résultat que si l’on mesure la vitesse puis la position) va découler un principe important de la physique quantique, le principe d’indétermination d’Heisenberg : D’après ce principe, à un instant donné, il n’est pas possible de déterminer avec précision la vitesse et la position d’un quanton. Plus on sera précis sur la vitesse, moins l’on sera précis sur la position et inversement (On trouve souvent « principe d’incertitude », mais beaucoup rejette cette appellation qui laisse sous-entendre que ce flou sur la détermination des vitesses et positions, serait dû à nos instruments de mesures, alors qu’il est dû à la nature même des quantons)
Pour donner une meilleure représentation, voici l’analogie donné dans le livre « le cantique des quantiques » (Sven Ortoli/Jean-Pierre Pharabod) :Le physicien est dans la même situation qu’un ornithologue qui voudrait étudier la morphologie et le comportement en milieu naturel d’un oiseau de nuit encore inconnu. Pour se faire, soit il braque un projecteur qui éclaire l’oiseau, et dans ce cas il pourra étudier la morphologie parfaitement, mais pas son comportement naturel puisque l’oiseau sera perturbé par cette « mesure » de sa morphologie. Ou bien l’ornithologue reste dans l’obscurité pour étudier son comportement naturel, mais dans ce cas ne pourra étudier sa morphologie.
Les deux théories de Schrödinger et Heisenberg, paraissent à première vue complètement différentes, (D’ailleurs leur auteurs ne sont pas très tendres avec la théorie de l’autre. En témoigne ces déclarations : « Plus je considère la partie physique de Schrödinger, plus elle m’apparait répugnante » dit Heisenberg, « La lecture des écrits d’Heisenberg m’a rebuté, sinon dégouté » répond Schrödinger) mais très rapidement en 1926, Dirac établira l’équivalence de ces deux théories: Elles aboutissent aux mêmes résultats, seul le formalisme mathématique est différent.
Ces deux approches seront présentées lors du Ve congrès Solvay à Bruxelles en 1927. Ce congrès peut-être considéré comme un premier aboutissement, car pour la première fois la physique quantique sera présentée comme une théorie entièrement constituée: La physique quantique est officiellement née!
Pour résumer, voici les piliers sur lesquels elle repose:
- La non-commutativité des matrices de Heisenberg qui stipule que l’ordre dans lequel sont faites les mesures, peut changer le résultat
- Le principe d’indétermination de Heisenberg qui indique que les résultats des mesures sur la vitesse et la position, seront entachés d’un flou.
- L’équation de Schrödinger qui donne la probabilité de trouver un quanton en un endroit donné
Mais il y a également :
- Le principe de complémentarité de Bohr (formulé en 1927). D’après ce principe l’aspect corpusculaire et l’aspect ondulatoire sont deux représentations complémentaires d’une seule et même chose. Tout dépend où, quand et comment on l’observe. Pour analogie il faut imaginer un cylindre : si on l’éclaire sur sa longueur, l’ombre projetée sur un mur donnera un rectangle. Au contraire si l’on éclaire face à sa base, l’ombre donnera un cercle.
- Le principe de correspondance de Ehrenfest qu’il formulera en 1927. Selon ce principe, la mécanique classique devient un cas limite de la physique quantique (limite quand le nombre de quantons tend vers l’infini)
Mais pour autant, le plus intéressant commence, car ce congrès qui regroupe une sorte de Dream-Team des physiciens de l’époque (Entre autres, Einstein, Bohr, Born, Dirac, Pauli, Heisenberg, Planck, de Broglie), marque aussi le début de grands débats philosophiques sur l’interprétation de la mécanique quantique. Tout le monde est d’accord avec le formalisme mathématique de cette théorie, et d’ailleurs ce formalisme n’a quasiment pas changé depuis. Mais beaucoup de divergences apparaissent lorsqu’il s’agit de discuter de la réalité physique qui se cache derrière ce formalisme.
On ne va pas rentrer dans les détails, car cela pourrait faire l’objet d’un autre podcast (et celui-ci deviendrait alors beaucoup trop long), je laisse donc la porte ouverte. Mais pour résumer, deux principaux courants de pensées vont commencer à se dessiner :
D’un côté Einstein et ses partisans, pour qui il est difficile de concevoir un univers flou et indéterminé. Tout le monde a d’ailleurs déjà entendu cette phrase d’Einstein disant « Dieu ne joue pas aux dès » Cette phrase est en fait extraite d’une lettre qu’il écrivait à Max Born. Voici un passage un peu plus long : « La mécanique quantique force le respect. Mais une voix intérieure me dit que ce n’est pas encore le nec plus ultra. La théorie nous apporte beaucoup de choses, mais elle nous approche à peine du secret du Vieux (Dieu). De toute façon, je suis convaincu que lui, au moins, ne joue pas aux dès ! »
Pour Einstein cette abstraction est la conséquence de lacune dans nos connaissances : il doit bien exister des variables cachées dont la connaissance permettrait d’éliminer ce flou et cette indétermination.
De l’autre côté on trouve les partisans de l’interprétation dite de Copenhague (Bohr, Heisenberg), majoritaire aujourd’hui chez les physiciens. Pour ce camp, la physique quantique est complète et propose une formulation cohérente de la réalité empiriste.
Plus généralement, les débats reviennent à discuter de la complétude des théories quantiques et du déterminisme ou non des lois fondamentales de l’univers. En bref: soit la mécanique quantique est complète et l’univers est alors fondamentalement probabiliste, soit il existe des variables cachées encore ignorées et l’univers peu éventuellement être déterministe (car il y a également des théories à variables cachées indéterministe : Edward Nelson, mécanique stochastique)
Sources:
- “Le monde quantique” – Stephane Deligeorges
- “Le cantique des quantiques” – Sven Ortoli et Jean-Pierre Pharabod
- Wikipédia
Wikipedia nous dit que le vide est défini comme l’absence de matière dans une zone spatiale. Alors faisons l’exercice d’imaginer une région de l’espace où règnerait un monde sans vie, sans planète, sans étoile, sans atomes susceptibles de s’organiser un jour en quelque chose…un monde sans matière, rempli de vide, imaginons un monde dans un état où il n’y a strictement rien…on se rend vite compte qu’il est difficile de penser le rien. D’ailleurs ”Penser le rien, ce n’est jamais penser à rien” (Etienne Klein).
Grèce antique
Chez les philosophes grecs, Aristote soutenait qu’il ne pouvait exister un endroit vide. Pour lui la nature a horreur du vide. Aristote avait une conception de l’univers comme d’un « espace clos », organisé, ordonné et harmonique.
Thalès de son côté refusait aussi l’existence du vide et du rien. Il affirmait que quelque chose ne peut émerger du rien, et de même les choses ne peuvent disparaître dans le néant. Il éleva même ce principe à l’échelle de l’univers tout entier: pour lui, l’univers ne peut être issu du néant.
Parménide s’est aussi posé la question si on pouvait parler du vide comme d’une entité en soi, ou uniquement comme une absence? Il disait « l’être est, le non-être n’est pas »; le vide était pour lui un non-être, et ne pouvait donc exister.
Mais les grecs avaient aussi déjà émis l’hypothèse que la matière peut adopter des formes granulaires. Si on empile des grains, il y a des espaces libres entre eux. Pour qu’il n’y ait pas de possibilité qu’une sorte de “vide” s’instaure dans les espaces libres, Empédocle fit l’hypothèse de l’éther, plus léger que l’air, pour remplir tous ces espaces. Selon lui, l’éther est une substance qui s’introduit partout, et empêche le vide de se former. Il imagina même que cet éther omniprésent servait à transmettre les influences d’un corps sur un autre, une sorte d’équivalent précurseur au champs gravitationnel.
Épicure, reprenant les idées de Démocrite, continuait à nier que quelque chose puisse sortir de rien. Mais Epicure et Démocrite sont aussi des atomistes, et ce sont les premiers à avoir émis l’idée de l’atome, le plus petit élément de base indivisible et commun à toutes les formes de matière. Et de là naquit pour la première fois chez les grecs l’idée de l’existence du vide, un espace sans rien dans lequel les atomes pouvaient se déplacer. Epicure affirmait que l’existence du vide était nécessaire au déplacement des atomes.
Renaissance
Les idées sur le vide des philosophes grecs ont perduré jusqu’à la Renaissance. Au XVIIème siècle, avec l’introduction de la méthode expérimentale, les physiciens de l’époque ont pu montrer que la croyance en la nature qui a horreur du vide est tout simplement le résultat d’une mauvaise interprétation des phénomènes physiques. Si la nature a horreur du vide comme le préconisaient les philosophes grecs, c’est tout simplement parce nous sommes soumis à une chape de plomb qui est notre atmosphère et qui exerce une pression considérable sur chaque cm2 (1kg/cm2 = 10 tonnes/m2) de tout ce qui se trouve sur le sol, forçant l’air à s’infiltrer dans tous les orifices possibles, même les plus petits. Mais on sait aussi tous plus ou moins intuitivement qu’il est possible d’éliminer l’air d’un récipient et de faire le vide. En 1643, c’est Evangelista Torricelli (un élève de Galilée) qui mis en évidence expérimentalement pour la première fois l’existence du vide grâce à son expérience du baromètre au mercure. L’expérience consiste à utiliser un tube creux en verre vertical d’environ 1 mètre de long rempli complètement de mercure et ouvert à une extrémité (longue pipette de chimiste). On bouche l’extrémité ouverte avec son doigt (la précaution vaut qu’on utilise un gant, le mercure est toxique), on retourne le tube tout en le plongeant avec précaution dans une cuvette elle aussi remplie de mercure. Tant que le doigt bouche l’extrémité immergée, le mercure reste en place dans le tube. Si on enlève le doigt, alors on constate que le mercure dans le tube descend jusqu’à ce que la colonne ne soit plus que de 76 centimètres (au lieu d’un mètre), puis se stabilise à cette hauteur et ne bouge plus. Par cette expérience Torricelli a mis en évidence le lien direct entre le poids du mercure (ou du liquide utilisé) et la contrainte de l’atmosphère environnante (altitude/pression/température). La pression de l’air équilibre la pression de la colonne de mercure. Mais cette expérience mais aussi en évidence un autre phénomène qui nous intéresse dans ce dossier: qu’y a-t-il dans les 24 centimètres restant au sommet du tube? Là où il y avait du mercure, il y a en apparence plus rien. De l’air n’a pas pu y entrer, Torricelli réalisa pour la première fois qu’il avait créer du vide.
Un tout petit peu plus tard en 1654, au moyen d’une expérience publique spectaculaire, Otto Von Guericke, inventeur allemand de la pompe à air, démontra la force de la pression atmosphérique en accolant deux hémisphères de cuivre d’environ 50 cm de diamètre de manière à former un sphère creuse. Il commença par montrer qu’il était aussi facile de les réunir que de les séparer. Ensuite à l’aide d’une pompe pneumatique connectée à un valve présente sur l’une des deux hémisphères, il aspira l’air contenu à l’intérieur de celles-ci. Il attacha ensuite chacun des hémisphères à un attelage de huit chevaux et montra que ceux-ci n’étaient pas capables de les séparer en tirant dans des directions opposées. Les hémisphères restaient collées. Il ouvrit alors la valve, laissant l’air à pression atmosphérique rentré à l’intérieur des hémisphères , et ceux-ci se séparèrent alors facilement. Dans cette expérience de von Guericke, quand on pompe l’air contenu dans la sphère, le poids de l’atmosphère extérieure exerce une importante pression à sur la sphère (10 tonnes/m2), sans qu’il y ait de pression à l’intérieur pour la contrebalancer. Le métal était suffisamment solide pour résister à l’écrasement dû à la pression atmosphérique, et même des chevaux n’étaient pas assez puissant pour fournir les tonnes de traction nécessaires pour triompher de la pression extérieure.
Un peu plus tard, Blaise Pascal répéta l’expérience de Toricelli mais en utilisant comme liquide du vin bien moins dense que le mercure, mais bien plus volatil. Il s’aida d’un tube bien plus long, car le vin est moins dense que le mercure, ce qui fait que la pression atmosphérique peut soutenir une colonne de vin bien plus haute. Il a pu vérifier que l’espace en haut du tube est bien vide et qu’il ne contient pas de vapeur de vin, le vin se stabilisait à la hauteur prévue par les calculs, et la volatilité du vin n’était pas la cause de l’espace libéré au dessus du liquide, c’était bien la pression atmosphérique qui déterminait la hauteur de cet espace rempli de vide. Il y a bien un peu de vapeur de vin qui se répand dans l’espace vide créé, sa pression de vapeur appuie très légèrement sur la colonne du liquide, mais son effet est négligeable par rapport à la pression exercée par l’atmosphère.
Un autre expérience historique de Blaise Pascal effectuée en 1648 montra que la hauteur d’une colonne de mercure décroit quand l’altitude augmente, c’est-à-dire la pression atmosphérique décroît avec l’altitude. Cela vient du fait que l’atmosphère est limitée; à haute altitude, la pression est plus basse parce qu’il y a moins d’atmosphère au-dessus…l’atmosphère se raréfie graduellement jusqu’à disparaître. Il semblerait que les philosophes grecs avaient eu tort, la nature n’a pas particulièrement horreur du vide. Comme Pascal l’a lui-même noté, la nature n’a pas moins horreur du vide au sommet d’une montagne que dans la vallée, par temps humide ou par temps ensoleillé; c’est le poids de l’air qui donne l’illusion que la nature a horreur du vide.
D’ailleurs lorsque l’on dit dans le langage commun qu’un récipient est vide, il est en fait rempli d’air. Un verre vide, une bouteille vide, un carton vide… contiennent en fait des milliards de molécules d’air. Même avec les meilleurs pompes à vide, il est en pratique impossible de faire le vide parfait. Il existera toujours une très faible pression. Dans un vide considéré comme excellent (10-8 Pa) il contient encore 2,4 millions de molécules par centimètre cube à température ambiante.
A cette époque on a aussi montré qu’une lampe placée dans un volume transparent vidé d’air, grâce à des pompes pneumatiques, continue à être vue, ce qui démontre que la lumière peut voyager dans le vide. Par contre le son d’une cloche, lui, s’éteint quand on pompe l’air. Au moyen de cette expérience, on avait réussi à mettre en évidence que la nature du son est profondément différente que celle de la lumière.
XIX-XXème siècle
Fin du XIXème – début du XXème siècle, c’est Philippe Lenard, l’un des co-découvreurs de l’électron, qui apporta grâce à sa découverte une nouvelle dimension à la notion de vide. En envoyant des faisceaux d’électrons sur des atomes, il observa que les électrons passaient au travers comme s’ils n’avaient rien vu sur leur passage. On se rend alors compte que la matière semblant solide à l’état macroscopique, est transparente à l’échelle atomique. Ce qui poussa Lenard à remarquer: “l’espace occupé par un mètre cube de platine massif est aussi vide que l’espace interstellaire au-delà de la Terre.” On découvre donc qu’un atome est constitué d’un noyau avec des électrons infiniment plus petits et plus légers qui orbitent autour de celui-ci. Tout ce qui dans l’atome n’est pas électron ou noyau est du vide. On peut en dire autant des entrailles du noyau atomique, les protons et neutrons sont constitués de particules infiniment plus petites appelées les quarks baignant dans le vide du noyau de l’atome. Un atome est est essentiellement de l’espace vide à 99,9%. Si les atomes sont vu comme d’immenses vides du point de vue des particules qui le composent, leur volume intérieur néanmoins lui est rempli de champs de forces électriques et magnétiques extrêmement puissants qui assurent la solidité de la matière, et ces champs baignent dans l’espace vide à l’intérieur de l’atome.
Les Champs
Il faut distinguer deux type de champs (scalaires et vectoriels):
- Champs Scalaires: Prenons le cas de l’atmosphère à la surface de la Terre (on aurait aussi pu choisir l’océan). En tout point de l’atmosphère, un thermomètre ou un baromètre permet d’observer et de définir respectivement une température ou une pression. Il existe donc un champ de température et un champ de pression. Ces champs sont définis par une collection de nombres qui sont des quantités dites scalaires. Pourquoi ce mot ? Tout simplement parce que scala en latin signifie « échelle », « escalier » et que bien sûr quand la température monte, le liquide dans un thermomètre grimpe le long des graduations comme on franchirait les barreaux d’une échelle. Sur une carte de pression de l’air, comme sur une carte de niveaux (cartes de gradients), les points où la pression est la même peuvent être reliés par des lignes (les isobares). El même chose pour la températures avec les isothermes.
- Champs Vectoriels: Mais dans l’atmosphère, il existe aussi du vent. Pour caractériser le vent, on utilise des anémomètres qui mesurent une vitesse dans une direction et un sens donnés en chaque point de la Terre. Une intensité d’une grandeur, comme la vitesse, une direction et un sens c’est un vecteur pour un physicien. On a donc défini un champ vectoriel.
Dans le cas de la pression/température atmosphérique et des vents, il y a un milieu physique, l’air, dont les variations de densité déterminent les champs, de sorte qu’on peut visualiser la réalité de ce modèle. Mais le concept de “champ” s’applique aussi même s’il n’y a pas de milieu matériel apparent. C’est le cas des champs gravitationnels, électriques ou magnétiques (champs vectoriels) qui représentent l’intensité, la direction et le sens de leurs forces respectives dans tout l’espace. Le champ gravitationnel de la Terre tapisse l’espace et attire les parachutistes en chute libre vers le sol, celui du Soleil maintient la Terre sur son orbite annuelle. On peut ainsi se représenter le champs gravitationnel comme une sorte de “tension” dans l’espace apparemment vide, qui se manifeste par des forces appliquées à des corps qui se trouvent dans le voisinage. La sphère d’influence de cette tension est appelée champ.
Ondes
La notion d’onde est liée directement à celle du champ. Il faut bien saisir la différence entre un champ et une excitation de champ, c’est-à-dire la différence entre l’océan et une vague sur l’océan. Si on agite un bâton sur la surface d’un étang calme (champ), une vague (onde) se propagera sur la surface. Cette onde correspond en réalité à la perturbation crée au sein des molécules d’eau, qui se mettent à se cogner entre elles en chaîne. Pour les tremblements de terre, ce sont des ondes de compression qui se propagent dans les couches terrestres. Les sons que nous entendons correspondent à des ondes de pression dans l’air qui font vibrer la membrane de notre tympan. Dans tous ces exemples, il y a un milieu bien identifié (eau, terre, air) dont la compression et dilatation créent l’onde. Mais quel est le milieu de propagation (qui oscille) d’une onde électromagnétique, comment une onde peut-elle se propager dans le vide?
L’Ether
Lorsqu’un électron est au repos, il est entourée d’un champ électrique. S’il est accéléré ou secoué, une onde électromagnétique se crée et se propage dans l’espace jusqu’à rencontrer un nouvel électron qui sera à sont tour mis en mouvement et accéléré à l’arrivée de l’onde électromagnétique. Comme pour la vague sur l’eau et l’onde sonore, l’onde électromagnétique a transporté de l’énergie de l’émetteur au récepteur. Les champs magnétiques et électriques remplissent l’espace vide et leurs excitations sont les ondes électromagnétiques. En théorie, les champs gravitationnels ont également la propriété d’être le siège d’ondes gravitationnelles. Mais il y a une profonde différence entre les ondes électromagnétiques/gravitationnelles et les ondes de type vagues sur l’eau ou sons dans l’air. La vitesse de déplacement des vagues sur l’eau dépend de la longueur d’onde (distance creux+bosse) et du milieu de propagation. Au contraire toutes les ondes électromagnétiques (et gravitationnelles) vont à la même vitesse, à la vitesse de la lumière. En résumé, on a des ondes électromagnétiques et gravitationnelles capables de se déplacer à la vitesse de la lumière…mais dans quoi? Quel est ce milieu, ce soit-disant vide, qui est le siège de la propagation des ondes électromagnétiques et gravitationnelles. Si le vide est le siège de quelque chose, est-ce encore du vide? Depuis les grecs et Empédocle, en passant par Newton, et de nombreux scientifiques du XVIIIème siècle comme Euler, tous ces derniers ont émis l’idée de l’éther, un milieu plus subtil que l’air qui remplirait tout l’espace. L’hypothèse de l’éther leur était bien utile, car elle répondait à l’énigme du milieu de transmission des ondes électromagnétique et plus particulièrement celui de la lumière. Les ondes électromagnétique ne se transmettraient pas dans le vide mais au sein d’une substance universelle présente partout que serait l’éther. Les idées sur l’éther proliférèrent durant de nombreux siècles jusqu’à qu’elles soient sérieusement remises en cause par la théorie de la relativité d’Einstein.
L’Espace
Aristote définissait l’espace par les corps qu’il contient. Il considérait les corps comme réels, mais pas l’espace. Pour lui des corps situés les uns par rapport aux autres définissent l’espace, et si on enlève les corps, alors selon Aristote on élimine aussi l’espace. Une telle vision implique que le vide ne peut exister, car en enlevant le contenu (matière), on enlèverait aussi son contenant (espace). Straton, un autre philosophe grec lui dit le contraire. Pour lui les corps se déplacent dans un espace vide bien réel. L’espace comme contenant existe bel et bien qu’il y ait quelque chose dedans ou non. S’il n’y a rien dedans, alors l’espace continue d’exister, mais entièrement vide. Newton suit aussi la même idée que Straton, il pense que l’espace a une existence propre. Et son existence a quelque chose d’absolu, même en l’absence de corps. L’espace vide est ce qui reste quand on a enlevé tous les corps. L’absence de matière entraînerait aussi pour Newton l’absence de forces gravitationnelles. Newton considérait aussi que la vitesse de la lumière était infinie, que les informations pouvaient donc se transmettre à vitesse infinie, et que par conséquent la force de gravitation était supposée se propager instantanément. Pour Newton il en découle une notion de simultanéité: si deux événements se sont produits à la même heure pour un observateur, il en est de même pour tout autre observateur. Dans cet espace absolu de Newton les mesures de distance et du temps sont les même pour tous.
L’Espace-Temps
Einstein renonça aux idées de Newton. Il doutait sérieusement de la réalité d’un espace référentiel absolu.
Relativité Restreinte (1905)
Einstein avait compris que les mesures et perceptions d’espace et de temps étaient en réalité différentes pour des gens qui sont en mouvement les uns par rapport aux autres. Pour bien le comprendre, imaginez que vous êtes assis au milieu d’un train à l’arrêt et que vous envoyez un signal lumineux au conducteur qui est en tête du train et un autre au gardien qui est en queue du train. Ils recevront le signal au même instant. Le passager au milieu du wagon arrêté, tout comme un autre voyageur qui serait sur la quai de gare à la même hauteur que le passager au milieu du wagon constatent bel et bien que le conducteur et le gardien en queue de train reçoivent le signal en même temps. Maintenant, supposons qu’au lieu d’être à l’arrêt, le train se déplace à une vitesse constante. Lorsque le passager du milieu du train passe devant le voyageur attendant sur la quai de gare, un signal lumineux est à nouveau envoyé au conducteur et au gardien. Pour le passager se déplaçant avec le train, les deux signaux arriveront simultanément au conducteur et au gardien (car il se déplace avec eux). Par contre, du point de vue du voyageur sur la quai de gare, la réalité est bien différente: pendant le bref instant que prend la lumière pour aller du milieu vers la queue du train, la wagon de tête se sera éloigné et le wagon de queue se sera rapproché du voyageur sur la quai de gare. Du point de vue du voyageur sur le quai de gare, le signal parviendra au gardien avant d’arriver au conducteur. La simultanéité vue par quelqu’un à bord du train n’en est plus une pour quelqu’un resté au bord du quai. Newton est pris à défaut.
Ces phénomènes de modulations du temps peuvent s’appliquer exactement de la même manière à l’espace. Donc un observateur 1 qui se déplace à la vitesse v1 n’aura pas la même perception des intervalles d’espace et de temps qu’un observateur 2 qui se déplace à la vitesse v2. La mesure de l’espace et du temps dépend de la vitesse à laquelle se déplace l’observateur. Dit autrement il n’existe pas de règle ou chronomètre universel capable de mesurer les distances et les intervalles de temps de façon absolue.
Peinture de Salvador Dali mettant en scène des horloges fondantes représantant la dilatation du temps
Et c’est parce que la vitesse de la lumière a une valeur finie (qui ne dépend ni de la vitesse de la source ni de celle du récepteur) que la structure de l’espace et du temps dépend de notre vitesse. Mais heureusement c’est parce que la vitesse de la lumière a une valeur finie mais grande que nous ne remarquons pas ces phénomènes de contraction et dilatation de l’espace et du temps dans notre vie quotidienne (ils sont négligeables). Heureusement, moi, vous et votre voisin avons tous la même perception de l’espace et du temps quand nous roulons en voiture à des vitesses différentes.
Relativité Générale (1915)
Einstein a conçu sa théorie de la relativité restreinte grâce à des expériences de pensée mettant en jeu un rayonnement électromagnétique, la lumière. A la suite de quoi il fît de même pour la force de gravitation, ce qui le mena à sa théorie de la relativité générale. Dans cette théorie, il généralise son modèle d’espace et de temps appliqués initialement aux forces électromagnétiques (comme la lumière) et le rend compatible avec la force de gravitation. La structure de l’espace-temps est la même pour les deux interactions (gravitationnelle et électromagnétique). Il montre qu’en absence de matière l’espace-temps est plat. Quand de la matière est présente, l’espace-temps devient courbe. Dans la conception newtonienne, l’espace est un espace plat, dans lequel les parallèles ne se rencontrent jamais (géométrie Euclidienne). Dans un espace courbe de telles lignes se rencontreront (géométrie non euclidienne). Pour bien comprendre, il faut imaginer les méridiens (géodésiques de longitude) de la Terre qui sont parallèles, mais qui cependant convergent tous vers les pôles. La vitesse à laquelle cette convergence a lieu donne une mesure de l’intensité de la courbure de l’espace-temps. Si comme dans la conception newtonienne, la vitesse de la lumière avait une valeur infinie, alors l’intensité de la courbure de l’espace-temps deviendrait nulle, ce qui est une autre façon de dire que l’espace-temps est plat. C’est en accord avec l’image newtonienne d’un espace dans lequel les corps se déplacent sans affecter ni l’espace et ni le temps, ou des lignes parallèles ne se rejoignent jamais. Ce modèle d’espace newtonien s’inscrit donc, dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, comme un cas particulier de celle-ci où la vitesse de la lumière est infinie. Pour Einstein, des signaux ne peuvent se propager plus vite que la vitesse de la lumière, et la simultanéité n’existe pas, tandis que pour Newton la gravitation agit instantanément, et la vitesse de la lumière est infiniment grande.
Einstein formalisa sa théorie de la relativité générale en reliant la courbure de l’espace-temps et le champs gravitationnel. C’est comme si le poids de la matière, des corps célestes distend et déforme la trame de l’espace-temps. Et ce sont les déformations de l’espace-temps qui sont responsables de l’action de la force de gravitation. Donc pour Einstein, il y a uniquement des mouvements relatifs de corps par rapport à d’autres qui par leur simple mouvement dilatent et rétrécissent l’espace et le temps. Pour Einstein les objets physiques ne sont pas dans l’espace, les objets physiques ont une étendue spatiale. Vu comme ça, pour Einstein, le concept d’ «espace vide» perd son sens.
Einstein formalisa les concepts d’espace et de temps en un seul espace à quatre dimensions (3 d’espace + 1 du temps). L’espace et le temps passent donc d’un statut d’entité absolue, uniforme et universelle (conception newtonienne) à un statut élastique et relativiste. Petite réflexion au passage, la théorie de la relativité générale n’implique pas forcément qu’il n’y a pas d’éther, mais simplement que tout ce qui se trouve de cet éventuel éther doit se comporter selon les principes de la relativité. On pourrait légitimement imaginer que le champs électromagnétique que l’on ne peut pas voir à moins de le faire osciller est “une sorte de d’éther”. De manière analogue, on pourrait considérer le champs gravitationnel comme un éther qui deviendrait visible via les ondes gravitationnelles.
Ondes Gravitationnelles
Une des solutions, la plus simple, des équations d’Einstein dit que s’il n’y a pas d’énergie (matière), l’espace-temps n’a pas de courbure, et l’univers est plat. Une autre solution des équations nous dit qu’il peut exister un espace-temps sans énergie (matière), mais pas forcément plat pour autant. Cela peut paraître paradoxal, un espace-temps sans matière, mais tout de même déformé? Si dans l’espace-temps il se produit quelque chose qui engendre un changement brusque de la distribution d’énergie (matière), comme une explosion de supernova ou l’effondrement d’une étoile en un trou noir, des ondes gravitationnelles vont rayonner à la vitesse de la lumière. Si la cause matérielle à l’origine de ces ondes gravitationnelle disparaît, l’onde continue néanmoins de se propager. On peut donc imaginer une région de l’univers vide de matière mais dont l’espace-temps est animé de frissons d’ondes gravitationnelles, un espace-temps vide mais qui vibre. Et c’est l’idée du vide que se faisait Einstein. Si on pousse le raisonnement à l’extrême, on peut imaginer qu’on retire tous les corps de l’univers sauf un seul, sa masse produira un champ gravitationnel qui s’étendra dans l’espace-temps tout entier (en diminuant avec le carré de la distance). On pourrait donc bien contempler une région de l’espace-temps dénuée de tout corps matériel, mais ce ne sera pas réellement du vide tant qu’il restera un seul corps n’importe où dans l’univers: le champs gravitationnel de ce corps lointain remplira tout l’espace vide . Si on analyse plus en détail la raison de l’existence possible d’un espace-temps vide mais qui ondule, ça tient finalement au fait que la vitesse limite et maximale autorisée pour la propagation d’information est la vitesse de la lumière, la propagation de tout type d’information, dont les ondes gravitationnelles, ne peut pas être instantanée (de vitesse infinie).
Comment détecter ces ondes gravitationnelles? Tout comme un tremblement de terre provoque des ondes à la surface de la Terre, perturbant les géodésiques de celle-ci, les ondes gravitationnelles provoqueraient des oscillations des géodésiques de l’espace-temps. Leurs effets peuvent être comparés aux marées, étirant et comprimant toute matière se trouvant sur le chemin de l’onde. Actuellement les scientifiques ont seulement des indications indirectes de l’existence de ces ondes gravitationnelles, et différents projets sont en route afin de pouvoir observer et effectuer des détections directes des ces ondes (LIGO, LISA). Les scientifiques cherchent à observer des ondes gravitationnelles provenant d’évènements cataclysmiques comme des collisions d’étoiles, de trous noirs, de supernovæ…
Le Vide Quantique
On a vu qu’à grande échelle un espace-temps vide mais qui vibre sous l’effet d’ondes gravitationnelles est compatible avec les équations d’Einstein. Et si on pouvait regarder le vide à toute petite échelle avec un microscope ultra-puissant, à une échelle si petite que la force de gravitation n’a plus aucun effet sur les particules élémentaires de la matière, que verrait-on dans ce monde quantique infiniment petit?
L’énergie du point zéro
Imaginez un petit volume de vide, disons un mètre cube d’espace intergalactique, dont on a retiré tout l’hydrogène et toute autre particule qui pourrait s’y trouver. Ce m3 d’espace peut-il être réellement vide de matière et d’énergie? Et bien dans le monde quantique, la réponse est non. Bien loin d’être sans contenu, le vide est toujours bouillonnant d’activité. En mécanique quantique, les particules élémentaires satisfont à des lois fondamentales plutôt étranges, on sait par exemple qu’on ne peut pas décrire exactement à la fois la position précise et la vitesse (mouvement) d’une particule. La mécanique quantique permet de mesurer exactement l’une ou l’autre de ces grandeurs, mais pas les deux à la fois! C’est le principe d’indétermination ou d’incertitude d’Heisenberg. Revenons à notre m3 d’espace auquel on enlevé toutes les particules, cela revient à dire que l’on sait précisément qu’il n’y a aucune particule en n’importe quel point de cette espace, on a donc une information précise sur la position (il y aucune particule en aucune position), ce qui, selon les lois quantiques, nous amène à dire que l’on ne connaît rien sur le mouvement et l’énergie présente dans ce m3 d’espace. On peut enlever toute matière et toute masse, l’indétermination quantique nous dit qu’il y aura tout de même de l’énergie, l’énergie ne peut être nulle. On ne peut à la fois avoir une quantité de matière nulle et une énergie nulle, on peut avoir l’un ou l’autre, mais pas les deux à la fois. Ces idées nous amènent à des situations plutôt bizarres. Pour mieux le comprendre, on peut imaginer un pendule quantique constitué d’un petit aggrégat de molécules suspendus à un fil d’atomes et oscillant comme un pendule classique. Selon les lois quantiques, un tel pendule quantique ne pourra jamais arriver à un état de repos où il resterait pendu immobile verticalement. Un pendule quantique, lorsqu’il se trouve en son point le plus bas (énergie potentielle nulle), le mouvement est indéterminé (son énergie cinétique ne peut pas être connue), il oscillera donc légèrement autour du point le plus bas. Inversement si le pendule est au repos (énergie cinétique nulle), son énergie potentielle et donc sa position sont indéterminés, et il oscillera légèrement de position de haut en bas. La mécanique quantique impose que la somme de l’énergie cinétique et énergie potentielle ne peut descendre en dessous d’un minimum: les deux ne peuvent être simultanément nulles. Au mieux on peut dire qu’il existe une quantité d’énergie minimum, connue comme l’énergie du point zéro
Dans la nature, le mouvement des molécules dans la matière est à l’origine de ce que nous appelons la température (plus la température est élevée, plus l’agitation des molécules est grande), et nous sommes constamment entourés de particules excitées qui passent d’un état énergétique à un autre et qui rayonnent de l’énergie. Par exemple un objet qui est chauffé augmente sa température et va émettre de la chaleur, il va donc rayonner de l’énergie. Si on regarde comment se comportent les atomes de l’objet qui a été chauffé, on voit que les électrons passent d’un état énergétique stable à un état énergétique excité en rayonnant de l’énergie. Si au contraire on refroidit l’objet, la théorie quantique nous dit que c’est impossible d’atteindre le zéro absolu en température (0°K / -273°C), une situation où toutes les particules sont gelées en position, sans mouvement et sans énergie est impossible. Il existera toujours une énergie intrinsèque du point zéro, même lorsqu’on s’approche du zéro absolu en température. Retirer ou éliminer des particules de matière pour obtenir du vide est une terminologie qui ne fait pas vraiment de sens dans le langage quantique. Le vide quantique est en réalité rempli de particules mais toutes se trouvant dans leur état énergétique minimal, le plus petit possible, dans une configuration d’énergie la plus basse possible. C’est un état fondamental dans lequel on ne peut plus retirer aucune énergie supplémentaire aux particules.
Le vide quantique est donc l’état dont l’énergie est la plus petite possible, un état fondamental d’énergie qui sera néanmoins toujours soumis à des fluctuations énergétique, qu’on appelle fluctuations quantiques.
On peut se représenter le vide comme une mer (quantique) bouillonnante d’ondes électromagnétiques, contenant toutes les longueurs d’ondes possibles, en allant des minuscules longueurs d’onde même plus petites que l’échelle atomique jusqu’à celle ayant une longueur d’onde à l’échelle cosmique. Le point zéro correspondrait à la surface de cette mer quantique, en moyenne la surface de la mer est plane (en moyenne il n’y a aucun champ électromagnétique, dit autrement c’est un milieu statistiquement sans particules élémentaires), mais en réalité cette mer est agité constamment par les vagues (oscillations) des ondes électromagnétiques de tout les longueurs d’ondes possibles (fluctuations quantiques).
L’Effet Casimir
Mais alors comment se convaincre de la réalité de l’énergie du point zéro, et que ce n’est pas un artéfact mathématique. Vous pouvez commencer d’abord par réécouter le dossier Zéro et Infini, l’histoire d’amour de Nicotupe, dossier dans lequel il nous explique qu’un monde où le zéro est présent ne peut exclure l’infini! Dit autrement que le vide ne peut exclure de l’énergie. Mais plus concrètement c’est le physicien Hendrik Casimir qui suggéra et prédit en 1948 l’existence de l’énergie du vide via un effet, qu’on appelle effet Casimir, qui a pu être démontré expérimentalement en 1996. Plaçons dans le vide deux plaques de métal légèrement séparées et parallèles entre elles. Une force attractive commencera à les attirer l’une vers l’autre. Il existe bien sûr une attraction mutuelle due à la gravitation, mais cette force est insignifiante et négligeable à l’échelle quantique. Cette attraction en réalité est due à l’effet Casimir qui résulte de la façon dont les plaques ont perturbé les ondes remplissant le vide quantique. Les métaux conduisent l’électricité, et cela affecte toutes les ondes électromagnétiques présentes dans le vide à l’énergie du point zéro. La théorie quantique nous dit que entre ces deux plaques il ne peut exister que des ondes ayant exactement un nombre entier de longueurs d’ondes. Seules les ondes accordées à l’intervalle entre les plaques pourront exister et vibrer, alors qu’au dehors des plaques toutes les longueurs d’onde peuvent exister. Dit autrement, il manque certaines ondes (photons) entre les plaques, il y a donc moins de pression sur l’intérieur des plaques que sur leurs faces extérieures. Il en résulte une force globale qui les rapproche. Quand les plaques sont trop éloignées cette force disparaît, inversement cet effet Casimir augmentera quand les plaques sont très proches. Cette force a été mesurée et l’effet Casimir vérifié. Le modèle d’énergie du point zéro dans le vide a donc été confirmé expérimentalement.
L’effet Casimir montre qu’un changement de l’énergie du point zéro peut être bien réel, qu’il peut être mesuré. Même si l’énergie du point zéro elle-même n’est pas accessible, on peut en connaître sa variation sous certaines conditions. Bien que l’énergie du vide est l’état minimum d’énergie que peut avoir un système, la quantité d’énergie au point zéro est néanmoins infinie. D’ailleurs les effets d’agitation énergétique du point zéro peuvent être ressentis par des particules traversant le vide. Par exemple, un électron d’un atome d’hydrogène en vol oscille légèrement lorsqu’il ressent l’agitation du point zéro des champs électromagnétiques, il passera d’une orbite à une autre (d’un état énergétique à un autre). La différence énergétique entre ces deux orbites rayonnera de la lumière, ce rayonnement lumineux est une indication des fluctuations quantiques du point zéro.
La Gravitation Quantique
La mécanique quantique produit des formulations précises pour les phénomènes infiniment petits, à l’échelle subatomique, mais elle ignore complètement les effets de la force de gravitation, qu’elle considère comme négligeable et insignifiante à l’échelle quantique. Les scientifiques n’arrivent pas à combiner la mécanique quantique (décrit le monde microscopique) et la théorie de la relativité générale (décrit le monde macroscopique) en une théorie unifiée cohérente et expérimentalement vérifiée. Néanmoins ces deux théories sont chacune valide dans leur domaines respectifs. Le problème qui se pose c’est qu’au tout début de l’univers, celui-ci était si petit, si dense, si compressé et si compact, que la force de gravitation devait être prédominante et agir au niveau quantique. De nombreux physiciens travaillent actuellement sur une théorie de la gravitation quantique, ayant pour objectif d’unifier la mécanique quantique et la relativité générale. La gravitation quantique nous dit que les fluctuations quantiques apparaissent aussi dans la trame de l’espace-temps d’Einstein.
La Mer de Dirac
Le physicien Paul Dirac (dont j’avais déjà parlé dans le dossier sur l’Origine de l’Univers) fut le premier à prédire en 1931 l’existence d’une autre particule, identique à l’électron, mais ayant une charge électrique opposée (positive) qui a été baptisée le positron (anti-électron). Il bâtit un nouveau modèle du vide faisant apparaître cette nouvelle particule d’antimatière qu’est le positron. Paul Dirac suggéra que l’on considère le vide quantique pas seulement comme une mer dans laquelle baigne une infinité d’ondes, mais comme une mer remplie d’électrons, de profondeur infinie, présente constamment partout, calme et indécelable tant que rien ne la perturbe. Chaque électron remplissant la mer de Dirac occuperait un niveau d’énergie propre, s’étalant sur une échelle allant de l’infini négatif (fond de la mer) jusqu’à une certaine valeur maximale (surface de l’eau). Cette valeur maximale étant considérée comme le « niveau de la mer », autrement dit l’état fondamental, le point zéro d’énergie du vide. Ce paisible « océan électronique » resterait virtuel et indétectable tant que rien ne le perturbe.
Mais on sait depuis la fameuse équation d’Einstein E=mc2, que la masse (matière) peut être produite à partir d’énergie. Si tout d’un coup les fluctuations d’énergie du vide dépassent un certain seuil d’énergie (si une vaguelette se transforme en vague), une paire d’électron et positron peut émerger spontanément. Cela veut dire que les fluctuations d’énergie du vide peuvent spontanément se transformer en électrons et positrons (sous certaines condition d’énergie et de temps). Plus précisément, une fluctuation quantique peut éjecter un électron de cette mère infinie de Dirac, ce qui laisse un “trou” dans la mer d’énergie négative. L’absence d’un électron chargé négativement par rapport au niveau de la mer se traduit par un trou d’énergie positive par rapport au niveau de la mer, c’est-à-dire par l’apparition d’une particule dotée d’énergie positive, le positron. On ne peut malheureusement pas observer la transformation des fluctuations quantiques du vide en électrons et positrons, mais on peut par contre mettre en évidence ce phénomène lorsqu’on fournit volontairement un tout petit peut d’énergie supplémentaire au vide, comme par exemple si on bombarde le vide (par ex. le champs électrique d’un atome) avec un photon de lumière (d’énergie égale à deux masses électroniques 2mc2), et bien dans ce cas on observe (indirectement) qu’une paire de positron-électron est bien créée spontanément pendant une durée de vie très courte (10 puissance – 21seconde). Ce mécanisme est à l’origine de l’apparition de ce qu’on appelle de paires de particules virtuelles. Le vide est le siège de matérialisations spontanées et fugaces de particules et de leur antiparticules associées qui s’annihilent presque immédiatement après leur création. Le vide est rempli de particules virtuelles apparaissant pendant un temps très bref avant de disparaître.
Pour Dirac, le vide serait donc rempli de particules virtuelles qui peuvent émerger et se matérialiser sous l’effet de fluctuations d’énergie du vide, laissant derrière elles des trous d’antiparticules. On sait aujourd’hui que non seulement la paire électron-positron, mais également les quarks et d’autres particules remplissent virtuellement cette mer sans fond, qu’on peut voir comme un entrepôt infini qui nous approvisionne en particules matérielles. Le vide contient une “mer” infiniment profonde de particules fondamentales. Dans cette interprétation le vide devient un milieu. Et cela implique des conséquences d’une portée considérable: si le vide est un milieu comme le décrit Dirac, on peut imaginer que l’on puisse ajouter quelque chose au vide afin d’abaisser son état fondamental d’énergie. On obtiendrait alors un nouvel état du vide plus vide que l’état du vide antérieur. Une transition entre ces deux états du vide est appelé changement de phase. Les scientifiques pensent qu’un changement de phase du vide ai pu avoir lieu au cours de l’histoire de l’univers. Il se peut donc que la nature du vide ai pu ne pas être la même au fil de l’évolution de l’univers!
Le Vide de Higgs
Le modèle standard de la physique des particules veut que dans l’univers primordial l’état du vide avait au début une phase symétrique où toutes les forces agissaient avec la même intensité, et étaient de ce fait unifiées (10 puissance -31 mètre). Quand l’univers s’est refroidi, des transitions de phase se seraient produites et l’état symétrique du vide a été remplacé par des états de plus en plus asymétriques, amenant la séparation des forces en intéractions forte, faible et électromagnétique. La structure quantique de la nature donnerait donc la possibilité à un système dans un état stable de haute énergie de choisir un état d’énergie plus bas dans lequel la symétrie est spontanément brisée. Les formes prises par les particules et les forces qui nous gouvernent seraient donc des résidus accidentels de la brisure de symétrie provoquée par le refroidissement (“gel”) de l’univers (à une température d’environ 10 puissance 17 degrés).
La question qui se pose est que les bosons W et Z (particules qui véhiculent l’intéraction faible) ont une masse, alors que les photons (véhicule de la force électromagnétique) et les gluons (véhicule de l’intéraction forte) n’en ont pas. On pense que la réponse est due à une propriété du vide, et c’est Peter Higgs qui a élaboré cette théorie, le même qui a prédit l’existence du boson de Higgs. Dans cette théorie, le vide baigne dans le champs de Higgs, responsable de donner la masse aux particules élémentaires comme les bosons W et Z, quarks…(à écouter l’épisode de la 100ème de PodcastScience et le dossier sur le boson de Higgs). En l’absence du champ de Higgs, les particules ne peuvent pas être arrêtées et se déplaceraient toutes à la vitesse de la lumière. Mais l’espace est rempli par le champ de Higgs, ce qui a pour conséquence de fraîner la vitesse de certaines particules et de leur attribuer une masse (les photons eux n’interagissent pas avec le champ de Higgs et se déplacent donc à la vitesse de la lumière). De la même manière que les ondulations des champs électromagnétiques produisent les photons, le champ de Higgs se manifeste sous forme de boson de Higgs. Mais le boson de Higgs qui est l’expression du champ de Higgs sous forme de particule a-t-il une masse? On est pas loin du problème de l’oeuf et la poule. Le boson de Higgs ressent aussi lui-même le champ de Higgs partout présent et a donc une masse.
Le vide de Higgs est une approche qui est profondément différente de celle du vide quantique. On a vu que le vide quantique est rempli d’ondes électromagnétiques, avec des fluctuations d’énergie autour du point zéro qui peuvent se matérialiser en nouvelles particules si l’énergie nécessaire est fournie. Le vide de Higgs lui est rempli du champs de Higgs. L’espace vide sans le champ de Higgs aurait plus d’énergie que lorsque le champ de Higgs est présent. Autrement dit, si on met un champ de Higgs dans le vide, l’énergie globale est diminuée. Le vide baigné par le champ de Higgs n’est l’état de plus basse énergie qu’à des températures suffisamment ”basses” (10 puissance 17 degrés)! Au dessus de cette température, la théorie indique que l’état fondamental de l’univers n’inclut pas le champ de Higgs.
A ses tout débuts, l’univers était extrêmement chaud et dense (bien plus chaud que 10 puissance 17 degrés) et le champ de Higgs n’existait pas, et c’est soudainement, lorsque l’univers s’est suffisamment refroidi, que le champ de Higgs a rempli le vide et a donné la masse aux particules.
Conclusion
Les dernières théories physiques suggèrent que notre univers tel qu’on l’observe actuellement “serait” apparu suite à une fantastique fluctuation quantique du vide. En se refroidissant le vide serait passé par une transition de phase dans laquelle le champ de Higgs se serait figé et les particules auraient pu ainsi acquérir de la masse. Le vide n’a donc pas toujours été le même au cours de l’évolution de l’univers!
On voit que la science moderne postule qu’il est impossible de faire un vide complet. L’espace vide sera toujours remplie d’énergie. Il ne peut exister quelque chose de littéralement vide. Finalement les philosophes grecs n’avaient pas totalement tort, la nature semble avoir horreur du vide.
Cependant, à mesure que la science apporte des réponses, elle fait surgir de nouvelles questions encore plus profondes et fondamentales. Pour ma part et à titre personnel un certain nombre de questions restent encore ouvertes:
- D’où vient la potentialité quantique du vide? Pourquoi le vide est-il régit par les lois quantiques et non par des lois d’une autre nature? L’univers met-il en place des lois à sa mesure? Si l’univers est immanent, on peut alors penser qu’un autre univers pourrait être régi par d’autres lois, et que le vide y serait de nature différente. Si au contraire les lois physique sont transcendantes, alors elles sont les mêmes pour tous les univers possibles et les lois qui régissent le vide sont les mêmes partout.
- Dans quoi l’univers existe-t-il et est-il en expansion?
- Si on peut définir le rien comme l’absence de quelques chose, alors pourquoi le quelque chose (notre/nos univers), plutôt que le rien (un monde réellement vide d’énergie et de toute chose)?
Sources:
Qu’est ce que le vide? – Frank Close
http://fr.wikipedia.org/wiki/Vide
Le système métrique est un standard presque universel. 95% de la population mondiale l’utilise. Et même là où on ne l’utilise pas, tout le monde a une idée relativement précise de ce qu’est un mètre, où qu’on se trouve sur la planète. Par contre, essayez de parler de gallon, de pinte, de yard, de pied: on vous comprendra en certains lieux, mais rien ne garantit que vous parliez bien de la même chose.
Nous avons vu la semaine dernière quelles pouvaient être les conséquences fâcheuses de l’absence de standards universels. Et encore, dans un monde presque standardisé, les erreurs qui se produisent, bien que spectaculaires, sont rares et marginales. Au XVIIIe siècle, elles étaient permanentes et systématiques, tant les systèmes étaient arbitraires et la confusion généralisée.
Dans l’épisode d’aujourd’hui, avant de faire l’état des lieux des poids et mesures actuels, nous allons voir la fascinante histoire qui nous a donné le système métrique. C’est bien sûr en France que ça se passe, en pleine révolution, dans un contexte d’idéal et d’absolu, non seulement d’abolition des privilèges mais encore de fournir un instrument dédié “à tous les hommes et à tous les temps”.
1791, naissance du mètre
On pourrait penser que l’histoire est simple. Prenons par exemple l’article de Wikipédia intitulé Unités de mesure anciennes, paragraphe “Naissance du mètre”.
Voici ce qu’on peut lire:
Les cahiers de doléance rédigés lors de la Révolution de 1789 réclamaient une mesure universelle pour s’affranchir de l’arbitraire des unités de mesure seigneuriales. Le climat de réforme qui suivit les événements révolutionnaires permit de précipiter le choix d’un étalon.
Une commission est instituée le 16 février 1791 pour définir cette unité universelle. Elle est composée de Jean-Charles de Borda, Nicolas de Condorcet, Pierre-Simon de Laplace, Joseph-Louis de Lagrange et Gaspard Monge. Le choix doit être fait entre trois références possibles : la longueur du pendule simple à secondes à la latitude de 45°, la longueur du quart du cercle de l’équateur ou enfin la longueur du quart du méridien terrestre. C’est cette dernière mesure qui est retenue le 26 mars 1791, date de création du mètre qui est défini comme la dix millionième partie du quart du méridien terrestre.
Le système métrique décimal est alors institué le 18 germinal an III (7 avril 1795) par la loi « relative aux poids et mesures », mais il faudra attendre la loi du 4 juillet 1837, sous le ministère de François Guizot, pour que le système métrique décimal en France soit adopté de manière exclusive.
Et hop, on dirait ça s’est fait en deux coups de cuillère à pot; on voulait le mètre, on a eu le mètre, fin de l’histoire. Enfin, pas si vite… Entre 1791 et 1837, 46 ans se sont écoulés quand même… Il y a sans doute plus à en dire… Décortiquons un peu tout cela et intéressons-nous aux coulisses de l’histoire:
D’abord, le cahier de doléances en question précédait en fait la Révolution et avait été adressé à Louis XVI. Détail qui aura toute son importance, nous le verrons dans un instant. La doléance qui nous intéresse ici et qui a tout déclenché demandait “Qu’il n’y ait plus sur le territoire deux poids et deux mesures“.
Dès la révolution, donc, les seigneurs n’ont plus le droit d’étalonner, de mesurer, de peser… C’est fini! On crée la Commission des poids et mesures, avec l’idée de centraliser tout cela et ainsi libérer les gens du poids de l’arbitraire. Les nouvelles mesures seront universelles, destinées au monde entier. On commence par abandonner toutes les unités qui dépendent d’un homme, fût-il d’essence divine. Car il est vrai qu’un pied du roi est tout sauf universel! Et puis on abandonne dans la foulée toutes les mesures existantes.
Pour définir le mètre, on aurait pu prendre n’importe quel bout de longueur et décréter que cela faisait un mètre, mais c’eût été arbitraire aussi! Il aurait bien fallu que quelqu’un décide de cette longueur initiale…
Du coup, on a décidé que cette unité de mesure fondamentale, pour être universelle, devrait être dérivée de l’univers lui-même. Disons, de la partie qui nous est accessible: la planète. Après tout, la Terre concerne tous les terriens.
Il y a deux moyens de mesurer la Terre. Soit dans le sens de la largeur, c’est-à-dire à l’équateur, soit dans le sens de la hauteur, en prenant un méridien. Le problème de l’équateur, c’est qu’il n’y en a qu’un et qu’il ne passe pas par la France. Difficile à mesurer, donc. Les méridiens, en revanche, il y en a plein… 360 en fait, puisque, par convention, on les a séparés par un degré d’arc. Et un bout de méridien passe par la France!
Le mètre sera donc la dix-millionième partie d’un demi-méridien terrestre (ou d’un quart de grand cercle passant par les pôles), soit environ un aune de Paris, une mesure familière.
Le problème c’est qu’un demi-méridien, c’est grand. Très grand. La circonférence de la Terre fait grosso-modo 40’000 km. Un quart de ce grand cercle, du pôle à l’équateur, fait donc 10’000 km, soit 10 millions de mètres. On n’allait tout de même pas mesurer toute la distance, il faudrait qu’on se contente d’une portion suffisamment représentative. Restait à savoir laquelle… Pour le mathématicien Jean-Charles de Borda, le choix était évident: il suffisait d’être rationnel et d’exclure tout ce qui pouvait être arbitraire. Premièrement, il faudrait que la portion sélectionnée traverse au moins 10° de latitude pour que l’extrapolation soit valide. Deuxièmement, l’arc sélectionné devrait passer par le 45° parallèle, soit le milieu de la distance entre le pôle et l’équateur pour minimiser les erreurs dues à l’excentricité de la forme de la Terre. Troisièmement, le point de départ et le point d’arrivée devraient se trouver au niveau de la mer, le niveau naturel de la Terre. Et finalement, il fallait qu’il s’agisse d’une région déjà bien étudiée, afin d’éviter les mauvaises surprises.
Un seul petit bout de planète répondait parfaitement à ces quatre critères. Coup de bol, il n’était pas loin! Il s’agit de l’axe Dunkerque-Barcelone, qui se trouve sur le méridien de Paris. Borda assura au législateur que rien dans cette proposition ne donnerait aux autres Nations le moindre prétexte à reproche. Le fait que l’une des extrémités du tronçon se trouvât hors de France garantissait certainement que le projet n’était pas strictement franco-français.
Borda promit aussi que la tâche consistant à mesurer cette portion de méridien (d’environ mille kilomètres) pourrait être réalisée en une année!
Et comment mesure-t-on précisément un tronçon de 1’000 kilomètres sans GPS?
La trigonométrie conduit à tout! Quand on connaît tous les angles d’un triangle et qu’on connaît un côté du triangle, on arrive très facilement à retrouver tous les côtés. Du coup, l’idée était de recouvrir la méridienne, cet axe Dunkerque-Barcelone, d’une chaîne d’une centaine de triangles dont chacun en toucherait au moins un autre.
Illustration scannée dans l’ouvrage de l’abbé J. Loridan “Voyages des Astronomes français à la recherche de la figure de la terre et de ses dimensions” publiée chez Desclée, de Brouwer et Cie, Lille 1890, dénichée sur Wikipédia.
La mesure de la base du premier triangle devait être extrêmement précise, le reste suivrait. La base a été mesurée à Fontainebleau, sur un tronçon très plat d’une dizaine de kilomètres, mesuré avec des règles bimétalliques cuivre-platine (pour éviter les dilatations), dont l’unité serait la toise du Pérou (environ 4 mètres). Et quand il faisait chaud, on les protégeait avec des parasols. Le spectacle devait juste être splendide à observer 
Une fois cette mesure en poche, la loi du 26 mars 1791 envoya des astronomes produire et mesurer les triangles sur mille kilomètres. Pour aller plus vite, on a créé deux missions. L’une, dirigée par Jean-Baptiste Delambre, partirait de Dunkerque, au Nord de la France. L’autre, dirigée par Pierre Méchain, partirait de Barcelone, en Espagne. Les deux missions se rejoindraient à Rodez dans le Sud de la France. Rodez n’est pas exactement à mi-chemin, mais on supposait que la mission Nord irait plus vite non seulement parce qu’on la connaissait bien – elle avait déjà été mesurée par Cassini cinquante ans plus tôt et on pourrait réutiliser ses mêmes triangles avec des instruments plus précis – mais surtout parce qu’elle ne traversait pas les Pyrenées. Delambre et Méchain étaient certes des astronomes brillants, mais ils n’avaient pas exactement le profil de l’aventurier baroudeur: il s’agissait de respectables messieurs à perruque et mocassins, certainement beaucoup plus à l’aise dans le bureau d’un observatoire que sur les terrains boueux de l’arc de méridien de Paris!
1792, début des mission
En 1792, les cercles répétiteurs de Borda, des instruments de mesure des angles extrêmement précis, étaient prêts, on pouvait s’attaquer aux premiers triangles. Mais rien ne se passa exactement comme prévu… D’abord, les anciens sommets des triangles n’existaient plus forcément. De nombreuses églises, typiquement, ont été détruites, et parfois rebâties un peu plus loin. Les triangles de Cassini ne pouvaient définitivement pas être utilisés tels quels!
Là où les églises tenaient debout, on avait parfois d’autres problèmes. Au Puy-en-Velay, par exemple, l’église était bâtie en roche volcanique, très difficile à voir au téléscope. Du coup, il a fallu la recouvrir d’étoffes blanches… Ailleurs à un autre moment, cela n’aurait pas été un problème, mais l’étoffe blanche est un symbole royal et nous étions en pleine révolution!
Pour couronner le tout – si j’ose dire – les laisser-passer de Delambre et Méchain, fournis par l’Académie des Sciences, portaient le Sceau royal. En pleine révolution, ça ne facilitait pas vraiment les choses… On leur a mis des bâtons dans les roues à chaque étape! La mission prend du retard…
1793, l’erreur de Méchain
La suppression des académies en 1793 a même, techniquement parlant, rendu la mission illégale, ce qui valut plein d’ennuis à Delambre.
Sur le front du Sud, ce n’était pas beaucoup mieux… La France a déclaré la guerre à l’Espagne. Puis Méchain a subi un très grave accident qui lui a valu une semaine de coma suivie de 6 mois de convalescence pour se remettre de ses côtes et de ses deux épaules cassées, 6 mois durant lesquels la mission, bien sûr, était au point mort. Quand la mission put reprendre, la guerre battait son plein et il ne faisait pas bon être français en terres espagnoles à ce moment-là. Méchain avait beau expliquer qu’il était là, avec ses instruments bizarres, pour faire avancer la science, l’autorité militaire éprouvait peu de compassion – allez savoir pourquoi – et l’envoyait régulièrement derrière les barreaux…
D’ailleurs, le fait que Méchain ne puisse pas aller et venir comme il le souhaitait a eu une conséquence fâcheuse que nous subissons encore aujourd’hui… Le mètre est faux. Le mètre original bien sûr, et également toutes les définitions du mètre qui ont suivi, y compris la définition actuelle dérivée de la vitesse de la lumière.
Si le mètre correspond au dix-millionième de l’arc de méridien entre le pôle et l’équateur, l’arc en question devrait donc mesurer pile 10 millions de mètres. Or les dernières mesures satellite sont formelles: ce tronçon mesure en fait 10’002’290 mètres. Il manque donc 0.229 millimètres au mètre de Delambre et Méchain! L’équivalent de l’épaisseur de 2 pages d’un livre. Ce n’est pas grand chose, certes, mais deux pages, c’est palpable… C’est une distance perceptible à l’oeil nu. Pas que cela change grand chose dans nos vies, mais cela compte pour les mesures de très haute précision, bien sûr.
Quel rapport entre les événements de 1793 et cette erreur? Empêché de dessiner ses triangles sur la montagne de Monjuïc, à côté de Barcelone, Méchain fit ses mesures astronomiques depuis la terrasse de son hôtel de Barcelone, la Fontana de Oro. En décembre, il profita de l’avantage du solstice d’hiver pour mesurer l’angle de la rotation de la Terre relativement à son orbite autour du soleil. Un brin orgueilleux, il voulait obtenir une mesure plus précise que quiconque au cours de 4’000 années précédentes. Comme bonus, cette observation offrirait une validation de ses résultats de mesures de la latitude à Montjuïc issue de la mesure de la hauteur de 6 étoiles: Polaris, Kokab, Thuban, Mizar, El Nef et Pollux. Pour son analyse finale, il n’avait utilisé que les 4 premières, celles pour lesquelles il avait collecté le plus de données. Les trois premières convergeaient à merveille. Le degré de précision obtenu était tout à fait remarquable, il pouvait situer le château de Montjuïc sur une carte avec une précision de 30 pieds, pas tout à fait la précision du GPS, mais vraiment tout à fait impressionnant pour l’époque. C’est ce genre d’exploit qui lui avait valu de commander l’expédition-sud. Ceci dit, les résultats de la 4e étoile, Mizar, divergeaient des 3 premières par 4 secondes d’arc. Ou quelque 400 pieds. Il a pensé que c’était un problème de réfraction. Il a passé tout l’hiver à reprendre des mesures, toutes les nuits jusqu’en mars, même à Noël et à Nouvel-An. Et à chaque fois, les 2 premières étoiles donnaient des mesures cohérentes hyper précises, faisant de la Terrasse de la Fontana de Oro l’emplacement le plus précis de la planète. Mais Mizar donnait encore et toujours des résultats différents. Pour en avoir le coeur net, il lui suffirait de superposer ses mesures depuis Montjuïc à celles prises depuis l’hôtel, en soustrayant la distance entre l’hôtel et la montagne (que son équipement lui permettait bien sûr de connaître avec une précision inégalée).
Il créa une triangulation entre son hôtel, Montjuïc et la cathédrale de Barcelone. Ainsi qu’une seconde triangulation entre son hôtel, Montjuïc et la Lanterna (le phare du port). Il en aurait le coeur net. Sauf que… Il faudrait qu’il mesure les angles à chaque point. Et l’accès au château de Montjuïc, haut-lieu stratégique, était formellement interdit à tout citoyen français. Il a tellement supplié le Commandant de Montjuïc qu’il obtint le droit de réaliser des mesures depuis son ancienne tour d’observation, pendant une seule et unique journée. Le dimanche 16 mars 1794, il grimpa donc sur la colline et réalisa sa dernière triangulation, tandis qu’en plaine, des centaines de ses compatriotes croupissaient derrière les barreaux. Puis il rentra à son hôtel pour faire ses calculs. La distance entre Montjuïc et son hôtel était de 1.1 mile, précisément. Verdict après la soustraction de la distance et la superposition des résultats: une anomalie encore plus importante que ce qu’il avait obtenu précédemment! Quelque chose était faux quelque part. Une observation ou un calcul. Impossible de savoir où. Il fallait recommencer toutes les observations et refaire tous les calculs, ce qui lui était formellement interdit… Le commandant avait déjà eu de gros ennuis pour lui avoir accordé cette journée. De plus, Méchain avait déjà expédié ses premiers résultats à ses collègues parisiens! Pour éviter le déshonneur, il a préféré camoufler ses résultats. Cela l’a hanté toute sa vie. Chassé d’Espagne, il s’est rendu en Italie (alors que tout le monde à Paris le croyait prisonnier des espagnols!) Et manque de pot, le mât du bateau s’est pris la foudre le jour du départ… Heureusement, cela n’a pas détruit son précieux matériel. Ce qui lui permit de reprendre la mission du côté français des Pyrennées plusieurs mois plus tard.
Longtemps après la fin de la mission, Méchain a même tenté de refaire une triangulation entre Barcelone et les Baléares pour en avoir le coeur net, dans des conditions si difficiles qu’il y mourrait, succombant au paludisme à 60 ans. Ce n’est qu’après sa mort que Delambre, après la publication des “Bases du Système Métrique” (signé de MM Méchain et Delambre, par loyauté et respect envers son camarade, alors que Delambre l’a écrit tout seul), ce n’est qu’après avoir complètement lié son nom à celui de Méchain, pour la postérité, que Delambre découvrit, en 1806, que Méchain avait camouflé ses résultats… Ses notes, prises au crayon, avaient été carrément effacées et réécrites!
Les années suivantes
Revenons à 1794… Je vous passe les détails du reste de l’expédition… Ce fut épique d’un bout à l’autre. On refusait à Delambre et Méchain leurs papiers-valeurs dans les auberges. Ils luttaient quotidiennement contre la pluie, la neige, le vent, les éléments… Leurs installations furent détruites à plusieurs reprises par la foudre. Delambre dut apprendre la couture pour greffer du tissu rouge et bleu sur les draps blancs de ses églises… Il se fit attaquer par des chiens… Méchain affrontant la glace et les mauvais conditions ne parvint à établir que trois malheureux triangles en 6 mois entre Perpignan et Carcassone. Ces messieurs, initialement plus à l’aise au milieu de leurs livres, dormaient désormais parfois à même le sol, ou dans des endroits carrément insalubres… On leur parlait en Provençal pour montrer qu’ils n’étaient pas les bienvenus et quand on ne les accusait pas d’espionnage, on les soupçonnait de sorcellerie… On leur créait tous les jours de nouveaux obstacles. Bref, il fallait vraiment vraiment croire à cette mission pour la conduire jusqu’au bout!
En 1797, quand Delambre arriva à Rodez, aucune trace de Méchain! Il était encore coincé dans les montagnes noires du Languedoc. Toujours tourmenté par ses résultats de Barcelone et victime du froid, il n’avait en fait réalisé que deux heures de mesures au cours des deux dernières années! Bref… Tout allait toujours de travers.
Mais bien sûr, avant cela, en 1795, la France s’impatientait et prit des mesures provisoires de l’expédition pour fixer ce qui deviendrait finalement le mètre, avec cette imprécision de 0,2 millimètres. Et tant pis pour le but même de cette mission qui devait ramener une mesure plus précise que jamais. De février 1796 à décembre 1797, seize mètres-étalons, gravés dans du marbre, furent placés dans Paris et ses alentours, pour familiariser la population avec la nouvelle mesure. Aujourd’hui, il n’en subsiste que quatre :
- l’un est au 36 de la rue de Vaugirard, à droite de l’entrée ;
- le deuxième, replacé en 1848, est au 13 de la place Vendôme, à gauche de l’entrée du ministère de la Justice,
- le troisième est à Croissy-sur-Seine (Yvelines), dans un mur de la rue au Mètre,
- le quatrième à Sceaux (Hauts-de-Seine).
Le mètre étalon du 36, rue de Vaugirard à Paris (VIe arrondissement)
L’une dans l’autre, la véritable mission dura 7 ans et ne se termina qu’en 1799. Et quels que fussent ses résultats, il était déjà trop tard pour changer le mètre… Heureusement, peut-être, car les résultats, au final, étaient encore plus faux que les résultats provisoires! Finalement, le mètre théorique de l’Académie des sciences de 1791 était encore le plus proche de réalité. Si on s’en était tenu à celui-là, le mètre serait plus proche du dix-millionième de demi-méridien qu’il ne l’est aujourd’hui.
Tout ça pour ça! Le mètre est une formidable erreur dédiée “à tous les hommes et à tous les temps”!
Si c’était à refaire, aujourd’hui, il est évident qu’on ne s’y prendrait pas comme cela. Mesurer une portion de méridien avant même de connaître la courbure de la Terre, n’était de toute façon pas une bonne idée. Ceci dit, la mission n’aura pas été inutile. Très forte sur le plan symbolique, elle a servi de levier politique pour faire passer le système métrique. Et de nombreuses avancées technologiques dans le domaine de la géodésie (la science de la mesure de la Terre) en ont directement découlé. Et enfin, c’est tout de même une histoire épatante!
Pour finir l’histoire, on a produit de nouveaux mètres-étalon en 1799 et 1889.
En 1960, La Conférence Générale des Poids et Mesures a adopté une définition du mètre fondée sur une base atomique (la longueur d’onde dans le vide de la radiation correspondant à une transition entre des niveaux d’énergie spécifiés de l’atome de krypton 86).
Puis en 1983, la même conférence a redéfini une dernière fois le mètre, par rapport à la vitesse de la lumière (la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1⁄299 792 458 de seconde), ce qui est pour le moins circulaire quand on sait que la vitesse de la lumière est justement déjà exprimée en mètres par seconde…
A la fin de la révolution métrique: un système harmonisé pour tous les poids et mesures…
Surfaces et volumes
Avec le même unité, on mesure non seulement les longueurs (même millimétriques ou kilométriques), mais également les surfaces avec le carré de l’unité, et les volumes avec le cube de l’unité. Même si les noms sont parfois un peu exotiques, comme le stère, par exemple, utilisé pour le bois et qui signifie en fait 1m3, les unités de distance, de surface et de volume sont toutes définies à partir du mètre.
Masse
Le gramme était initialement défini comme la masse d’un centimètre cube d’eau à la température de 4 °C, ce qui correspond à un maximum de masse volumique.
En 1799, un étalon en platine d’un kilogramme (le grave), soit la masse d’un décimètre cube d’eau, fut déposé (ainsi qu’un étalon du mètre) aux Archives de France.
En 1875, l’unité de masse fut redéfinie comme « kilogramme », qui devint ainsi la seule unité du système métrique avec un préfixe multiplicateur.
Ce n’est qu’en 1889 que le kilogramme des Archives fut remplacé par le prototype international du kilogramme, conservé depuis cette date au pavillon de Breteuil, qui abrite depuis 1875 le Bureau international des poids et mesures (BIPM). On parle beaucoup de ce kilogramme-étalon car il pose aujourd’hui un sérieux problème sur lequel nous reviendrons à la fin du dossier.
Température
Avant la révolution métrique, on utilisait, en France, le degré Réaumur qui vaut 1,25 degré Celsius. (Sur l’échelle de Réaumur, l’eau gèle à 0°, mais bout à 80°). Dans la foulée de la révolution métrique, on a opté pour le degré centigrade avec lequel l’eau gèle à 0° et bout à 100°. D’ailleurs, ce n’est qu’en 1948, lors de la 9e Conférence générale des poids et mesures (CGPM), qu’on a finalement tranché entre les trois termes « degré centigrade », « degré centésimal », et « degré Celsius » en faveur de ce dernier.)
Argent
La France a restauré le franc qui datait de 1350, et l’a divisé en décimes et en centimes. Le décime (qui valait 10 centimes) fut rapidement oublié…
Calendrier
On l’a également décimalisé dans le calendrier républicain. Les 12 mois faisaient désormais tous 30 jours, soit 3 “décades” de 10 jours. Donc 360 jours par année. Du coup, on devait ajouter à la fin du calendrier des jours – qu’on a d’abord appelés “sans-culottides” avant de les rebaptiser jours complémentaires - pour faire le compte avec l’année “tropique” (soit le temps que prend la Terre pour faire un tour complet autour du Soleil).
Ces jours complémentaires avaient des noms tout à fait savoureux… Primidi, le jour de la vertu, duodi, le jour du génie, tridi, le jour du travail, quartidi, le jour de l’opinion et quintidi, le jour des récompenses.
Tous les quatre ans, bien sûr, on ajoutait le sextidi, jour de la révolution.
Quant aux jours de la semaine, on n’avait pas assez de planètes pour conserver leurs noms (lundi: Lune, mardi: Mars, mercredi: Mercure, jeudi: Jupiter, vendredi: Vénus, samedi: Saturne, et dimanche: dies Dominicus, le jour du seigneur… Un peu trop connoté pour les révolutionnaires), du coup, on a carrément donné un nom différent à chaque jour de l’année. En général des noms de plantes, et, tous les 5, 15, 25, un nom d’animal.
Aujourd’hui, 7 février, un jeudi, nous serions le 19 du mois de pluviôse, ce jour portait dans l’année républicaine le nom unique de pulmonaire.
Demain, ce sera serpette, puis thlaspi, thimele, chiendent, trainasse et enfin lièvre le 25…
Bref, si le mètre était extrêmement pratique, le calendrier républicain en revanche, n’était pas vraiment une réussite! D’autant plus que de 52 semaines – donc 52 dimanches – on est subitement passés à 36 décadis, soit 16 jours de congé de moins par année. Sans compter toutes les fêtes catholiques qui avaient disparu du calendrier et devenaient des jours travaillés ordinaires. Les gens n’étaient pas contents. Et cela posait également de sérieux problèmes techniques: l’année républicaine devait commencer “à minuit le jour où tombe l’équinoxe vrai d’automne, pour l’observatoire de Paris“. Ce qui supposait de connaître toutes les équinoxes d’automne pour les années, voire les millénaires, à venir. Car le moins qu’on puisse demander à un calendrier, c’est quand même d’avoir un certain pouvoir prédictif! Le 22 septembre 1792, l’équinoxe a eu lieu à 9h 18′ 30”. En 1793, à 3h 11′ 38”. De quoi rendre fous les astronomes… Plus on s’éloignait dans le temps, plus il était difficile de prévoir quand commencerait l’année. Pour l’année 143, par exemple (c’est à dire septembre 1936), Delambre se rendit compte qu’on avait un gros problème. La précision des calculs ne permettait pas de savoir exactement si le 5e jour complémentaire tomberait 20 secondes avant minuit ou 2 minutes après, c’est à dire le jour suivant. Du coup, impossible de prévoir quand commencerait l’année 144!
Ce calendrier vécut 13 ans puis fut abandonné à tout jamais.
On notera en passant qu’il n’existe toujours pas de calendrier universel aujourd’hui.
Horaires
Les journées elles-mêmes n’avaient pas été épargnées! Le jour de minuit à minuit fut divisé en 10 heures de 100 minutes chacune, de 100 secondes chacune. Désormais, les jours compteraient 100’000 secondes. C’était certes très pratique, mais les heures étaient un peu longues…
Quid de l’adoption de ce système métrique?
Pendant des siècles, on a cherché une solution pour disposer d’unités de mesure standardisées et universelles, et quand une solution fut enfin été proposée, plus personne n’en voulait!
Il faut dire qu’on y perdait ses repères, tout changeait en même temps, les unités de longueur, de surface, de volume, les masses, les températures, la monnaie…
Sans parler de l’objet même de la révolution: une nouvelle forme de gouvernance, de nouvelles valeurs… Tout, absolument tout, changeait en même temps! C’est d’ailleurs également à cette occasion-là qu’on a proposé un découpage du territoire français en 81 départements. Pourquoi 81? Parce que c’est le carré de 9. Chaque département était un carré de 18 lieues de côté (environ 75 km) , divisé en 9 districts, subdivisés en cantons. Des carrés dans des carrés qui devaient permettre à chaque citoyen – où qu’il habitât – de se trouver à une journée au maximum du chef-lieu de son département, ce qui lui permettrait de faire l’aller-retour en 2 jours en tout. (Ça, c’était sur le papier. Quelques discussions et compromis plus tard, ce n’est pas exactement comme cela que ça s’est passé, mais on comprend mieux la relative homogénéité de la taille des départements français.)
Bref, tout cela était tout à fait rationnel, très bien pensé, tous ces changements partaient d’une excellente intention, mais cela en faisait tout de même beaucoup à encaisser en même temps… Le terme “révolution” prend vraiment ici tout son sens!
Accessoirement, les transitions étaient compliquées… Tout comme quelque 210 ans plus tard, convertir 6,55957 francs français pour chaque Euro n’allait pas être chose aisée, à la Révolution, les anciennes et les nouvelles mesures n’étaient pas simples à convertir. Un mètre ne faisait bien sûr pas pile 3 pieds mais un peu plus. Les gens avaient peur de se faire avoir.
Malgré tout, le système métrique décimal fut institué le 18 germinal an III (7 avril 1795) par la loi ” relative aux poids et mesures “. Et fut diversément apprécié…
Le système métrique décimal était tellement simple et universel qu’il commença à se propager hors de France. Avec le développement de l’industrie et la mise en place des réseaux ferroviaires, tout le monde en avait besoin et son adoption se fit progressivement. Dès le début du XIXe siècle dans plusieurs provinces italiennes. Dès 1816 au Pays-Bas (où il fut même rendu obligatoire). En 1849 pour l’Espagne…
Tout le monde s’y mettait? Non… Un petit village résistait encore et toujours… Le petit village d’à côté aussi, et les villes, et les campagnes… Bref tout un grand pays résistait! Lequel? La France pardi!
Le peuple résistait, et pas seulement les paysans ignorants… Les anciennes mesures étaient encore bien ancrées dans toutes les mentalités, même chez les officiels du gouvernement. Et ce n’était pas tant par loyauté envers l’ancien régime qu’on restait attaché aux anciennes mesures, mais c’était juste le poids des habitudes…
Le président de l’Assemblée n’hésita pas à citer Jean-Jacques Rousseau: “Les hommes préfèreront toujours une mauvaise manière de savoir à une meilleure manière d’apprendre.”
L’ultime ironie se produisit lorsque l’Office Central des Poids et Mesures envoya un extrait des nouveaux standards métriques à une succursale de province en précisant que le poids du colis était de 60 livres poids-de-Marc!
Idem chez les professionnels… Ceux pour qui changer de poids et mesure supposait de changer d’équipement mettaient les pieds au mur! Les artilleurs râlaient aussi… Le système métrique allait nuire au ratio mathématique parfait entre le poids des boulets le calibre des canons! Bref, fidèle à une certaine tradition, la France râlait…
En 1812, Napoléon – qui avouait être “incapable de penser avec les nouvelles unités” – rétablit carrément les anciennes subdivisions. Il inventa le pied métrique (d’un tiers de mètre), la toise métrique (de pile deux mètres)…
Après beaucoup de mesures contradictoires, ce ne fut que par la fameuse loi du 4 juillet 1837 (entrée en vigueur le 1er janvier 1840) que le système métrique fut définitivement et exclusivement adopté en France, soit tout de même quasi un demi-siècle après son invention! Et plus de 20 ans après les Pays-Bas!
Adoption progressive du système métrique dans le monde (image Wikipédia)
Petit à petit tout le monde (ou presque) adopte le mètre… Ceci dit, au cours du XIXe siècle, un nouveau problème apparaît: les pays qui ont opté pour le mètre sont dépendants de la France à chaque fois qu’il s’agit d’obtenir des copies exactes des étalons du mètre et du kilogramme. Pour éviter de nouvelles difficultés, on crée le Bureau international des poids et mesures (B.I.P.M.) en 1875 qui permet de faire signer par 17 états, la même année, un traité connu sous le nom de Convention du mètre. Pour faire court, cette Convention permet la création de trois institutions, la Conférence Générale des Poids et Mesures, le Comité International des Poids et Mesures et le Bureau International des Poids et Mesures, l’autorité mondiale en termes de métrologie. Les travaux de ces différents organismes ont permis la création du Système international d’unités (SI), l’évolution du système métrique original, en vigueur presque partout (Sauf, comme on l’a vu la semaine dernière, aux Etats-Unis, au Myanmar (Birmanie) et au Libéria). Aux Etats-Unis, ceci dit, le système métrique est de plus en plus utilisé, dans les domaines de la science et de la médecine notamment, ainsi qu’au sein des Agences Fédérales.
Partout… Même chez les Anglais?
Eh oui, les Britanniques ont pris l’engagement d’adopter le système métrique lors de la Conférence internationale de Washington de 1884. C’est à la même occasion que le méridien de Paris fut abandonné au profit du méridien de Greenwich, après d’âpres discussions entre Français et Britanniques, en échange justement de l’adoption du système métrique par le Royaume-Uni. Je pense que nos amis français se sont un peu fait avoir, pour le coup 
Petite illustration de notre ami Guillaume Lebrun (Twitter: @glb92 Web: glebcreation.fr) pour fêter le passage au mètre des Britanniques.
Quant aux américains, ils ont failli être les premiers à avoir le mètre! Thomas Jefferson, alors Premier Secrétaire d’Etat et tout à fait convaincu des idées de la révolution a proposé en 1789 au Congrès américain de passer au système décimal pour les unités de mesures. Ce n’était pas exactement le mètre (il n’avais pas encore été inventé), mais un système très proche, et complètement en base 10. Après y avoir accordé beaucoup de considération, le Congrès n’a pas donné suite au projet.
Les unités actuelles, pas encore toutes basées sur des constantes…
Aujourd’hui, on se débrouille avec les 7 unités de base de base du Système International : le mètre pour la longueur/distance, le kilogramme pour la masse (toujours la seule unité à préfixe de tout le système), la seconde pour le temps, l’ampère pour l’intensité des courants électrique, le kelvin pour les températures, la mole (utilisée en physique et en chimie pour comparer les éléments entre eux) et la candela qui permet de mesurer l’intensité des sources lumineuses. De ces 7 unités de base, sont dérivées 59 autres unités qui sont en fait des combinaisons des 7 premières (pour les vitesses, les puissances, la radioactivité, les angles, etc.)
Certaines de ces unités, sont déjà basées sur des constantes, d’autres pas encore. Un sous-comité du Comité international des poids et mesures (CIPM) a proposé une révision des définitions de ces unités de base, cette proposition pourrait être appliquée lors de la 25e Conférence générale des poids et mesures (CGPM) en 2014.
Le mètre, on l’a vu, est dérivé de la vitesse de la lumière depuis 1983 (la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1⁄299 792 458 de seconde), il ne va pas bouger.
La seconde a d’abord été définie comme la fraction 1⁄86400 du jour solaire terrestre moyen. En 1956, pour tenir compte des imperfections de la rotation de la Terre – qui ralentit notamment à cause des marées – elle a été basée sur la révolution de la Terre autour du Soleil et définie comme la fraction 1⁄31 556 925,9747 de l’année tropique 1900. Finalement, en 1967, elle a été redéfinie par rapport à une constante, la radioactivité du césium. Extrait de Wikipédia :
La seconde est 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.
En d’autres termes, la seconde est un multiple de la période de l’onde émise par un atome de césium 133 lorsqu’un de ses électrons change de niveau d’énergie. C’est déjà une constante, elle ne va pas bouger non plus en 2014
L’ampère est basé sur une définition difficile à reproduire de manière précise (je vous épargne le protocole!). La nouvelle définition est basée sur une valeur numérique fixe de la charge élémentaire. Tout aussi compliqué, je vous laisse aller voir ici pour en savoir plus.
Le kelvin se base sur les changements d’état de l’eau pour définir l’échelle. La nouvelle recommandation propose de se baser sur l’énergie équivalent comme donnée par l’équation de Boltzmann. Le kelvin devient dépendant des définitions de la seconde, du mètre et du kilogramme.
La mole est actuellement définie par rapport au kilogramme; c’est la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 0,012 kilogramme de carbone 12. Dès l’année prochaine, elle pourrait être définie en fixant la valeur numérique du nombre d’Avogadro.
La candela
La définition proposée est la même que celle utilisée actuellement mais reformulée. Là aussi, je vous épargne les formules complexes, mais si vous y tenez vraiment, vous pouvez cliquer ici
Le kilogramme
Je l’ai gardé pour la fin car c’est une histoire en soi… On l’a vu, le gramme était initialement dérivé du mètre. En 1889, on en a coulé un kilogramme-étalon en platine iridié, placé sous une cloche et conservé au Bureau international des poids et mesures (BIPM), à Sèvres, près de Paris. Le problème, c’est que malgré toutes les précautions, aujourd’hui, ce kilo n’est plus ce qu’il était!
Selon le BIPM, “en raison de l’accumulation inévitable de polluants sur les surfaces, le prototype international subit une contamination réversible de surface d’environ 1 microgramme par an en masse”. Du coup, aujourd’hui, plus aucune copie n’est en accord avec l’étalon, on a un sérieux souci…
La redéfinition proposée par le sous-comité du CIPM propose de faire comme pour la mole, soit le baser sur la constante d’Avogadro. Cela le rendrait dépendant des définitions de la seconde et du mètre. Une alternative consisterait à le baser sur constante de Planck (qui définit la taille des quanta).
Mais ces propositions vont peut-être complètement revues car une équipe de chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley vient de réussir un tour de force spectaculaire publié dans Nature le 1er février dernier: ils ont réussi à mesurer la masse en secondes! Un excellent article de Pierre Barthélémy (Passeur de Sciences) explique le principe en détail. En gros, il s’agit d’expérimentations basées sur la relativité générale d’Albert Einstein et la théorie des Quanta de Louis de Broglie avec un soupçon de relativité restreinte, notamment la dilatation du temps. Les chercheurs de Berkeley ont donc eu l’idée de combiner les ondes de matière émises par des atomes en mouvement avec les ondes provenant d’atomes stationnaires. On a pu mesurer le décalage et l’étude conclut qu’on peut utiliser un seul atome pour mesurer le temps. Mais ce qui est beau, c’est que l’inverse est vraie: en mesurant le temps on peut connaître la masse de l’atome!
Bref, on n’a pas fini de parler du kilogramme!
Merci particulier à Jonathan Pain-Chamming’s sans qui ce dossier en deux volets n’aurait pas existé (c’est lui qui l’a demandé), à Laurent Vavasseur, médiateur scientifique au Musée des Arts et Métiers à Paris, à Ben Curdy et Julien Geandrot qui ont porté à ma connaissance l’article de Pierre Barthélémy du 3 février 2013 sur la mesure de la masse en secondes. Et enfin merci à Guillaume Lebrun alias Gleb, pour son illustration sur le passage au système métrique par les britanniques.
Sources et références
- Ken Alder, “The Measure of All Things”, un livre absolument passionnant basé sur les archives de l’expédition de la mesure de l’arc de méridien Dunkerque-Barcelone.
- Visite guidée au Musée des Arts et Métiers, à Paris, le 27 octobre 2012 (ou héliotrope… Le sextidi de brumaine 220 ) par Laurent Vavasseur, médiateur scientifique
- Site de la métrologie française
- Site du Bureau International des Poids et Mesures
- Bases du système métrique, par MM Méchain et Delambre (en fait, juste écrit par Delambre)
- Le système décimal de Thomas Jefferson
- Calendrier républicain (Wikipédia)
- Convention du mètre (Wikipédia)
- Nouvelles définitions du SI (pour 2014)
- Article de The Economist sur le problème du kilogramme étalon
- Article de Passeur de Science sur une possible solution à ce même problème
- Denis Guedj, “Le mètre du Monde”, un livre tout aussi passionnant et, en plus, très bien écrit, que je n’ai malheureusement pas eu le loisir de lire complètement avant de préparer ce dossier mais dont je me suis néanmoins inspiré ici et là.
Si Einstein avait vraiment pondu toutes les citations qu’on lui prête, il aurait dû méchamment déformer l’espace-temps pour qu’il lui reste le temps d’élaborer une ou deux théories de son vivant. Spécialement en n’utilisant que 10% de son cerveau…
Voici une magnifique double intox. Non seulement, ce n’est pas vrai du tout, mais en plus, aucune source fiable ne remonte jamais jusqu’à Einstein. Bon, ceci dit, je me demande par moments si ça ne s’applique pas un peu à mon cas quand même… En lançant ce quizz, j’avais complètement oublié que Marco avait déjà traité le sujet dans Podcast Science. Il nous expliquait en quelques mots en quoi cette légende urbaine ne tenait pas la route sur un plan évolutif, ses origines probables et à qui elle profite. Du grand Marco, quoi. Il nous expliquait aussi le grand classique de l’attribution de la citation à une figure d’autorité pour donner plus de poids à la légende.
Alors histoire de dire quelque chose quand même, tâchons d’approfondir un peu les sources probables de ce mythe et voyons ce que les neurosciences en disent aujourd’hui.
La légende suppose en fait que nous aurions un potentiel 10x supérieur à notre intelligence actuelle. En exploitant ce potentiel, nous pourrions devenir des dieux, voire des timelords. Pourquoi pas. J’avoue que si je pouvais déjà me rappeler où j’ai mis mes clés, je serais déjà assez content…
À en croire mon notre bon ami Wiki, cela a probablement démarré avec la théorie de la “réserve d’énergie” des psychologues de Harvard, William James et Boris Sidis dans les années 1890. Pour vérifier leur théorie, ils ont élevé un enfant prodige, William Sidis, réputé avoir un QI de 250-300. C’est vrai qu’il avait l’air pas trop con, le William: il est entré à Harvard à 11 ans, parlait 40 langues et s’est improvisé toutologue comme on les aime, publiant de nombreuses recherches en cosmologie, en histoire des populations américaines, en mécanique… Il a même déposé un brevet pour un calendrier perpétuel prenant en compte les années bissextiles. Et il avait ses petites obsessions, le garçon… Il était fasciné par les tramways… Bref. Personnage plutôt marrant. Mais bon, il se trouve qu’en fait, une bonne partie de sa réputation relevait également du mythe.
Cela n’a pas empêché l’auteur américain Lowell Thomas de résumer cette théorie de la réserve d’énergie dans sa préface au livre de Dale Carnegie, qui allait devenir un best-seller planétaire: How to Win Friends and Influence People. Pour rendre la théorie un peu plus sexy, il a indiqué un pourcentage faussement précis: “Professor William James of Harvard used to say that the average man develops only ten per cent of his latent mental ability. Dale Carnegie, by helping business men and women to develop their latent possibilities, has created one of the most significant movements in adult education”.
Traduction ““Le Professeur William James, de Harvard, disait toujours que l’homme moyen ne développe que 10% de ses capacités mentales latentes. Dale Carnegie, en aidant les entrepreneurs et entrepreneuses à développeur leur potentiel, à créé l’un des mouvements les plus importants dans la formation des adultes. “
Il n’en fallait pas plus pour que le mythe se répande chez les gourous et autres coaches, tous prêts à vous faire débourser bonbon pour réveiller vos 90% dormants.
Après, les balbutiements des neurosciences et les interprétations en l’emporte-pièce de sujets encore mal maîtrisés ont aussi contribué à entretenir le mythe… Marco en avait parlé, il n’y a pas que des neurones dans le cerveau, mais surtout des cellules gliales, qui comptent pour 50% du volume cérébral et 90% des cellules du cerveau. On pensait jusqu’à peu qu’elles n’étaient pas impliquées dans le traitement de l’information. Du coup, on pouvait penser que seules 10% des cellules du cerveau étaient impliquées dans l’intelligence. On sait aujourd’hui que c’est faux. Les cellules gliales jouent un rôle essentiel dans la neurotransmission et affectent tous les processus mentaux.
Les travaux de Karl Lashley ont également pu avoir une influence sur le mythe. Ce psychologue américain, cherchait, dans les années 1920 et 1930, à localiser le siège de la mémoire dans le cortex des rats. Il leur faisait apprendre à se balader dans un labyrinthe puis retirait des portions plus ou moins importantes de leur cerveaux. La quantité de tissus retirée semblait avoir un effet sur les performances des rats, par contre, la localisation de la portion retirée semblait n’avoir aucune incidence. On sait aujourd’hui que son protocole n’était pas fiable et tous ses résultats ont été remis en question…
Mais alors, on en utilise 10% à la fois? Pas du tout!
On sait aujourd’hui qu’il existe de nombreuses aires plus ou moins spécialisées dans le cerveau. Et cela semble donc tout à fait logique qu’elles ne s’activent pas toutes à fond en même temps. Le mythe viendrait-il du fait que seules 10% de nos cellules cérébrales sont actives à un instant t, les autres s’activant plus tôt ou plus tard? En toute honnêteté, c’est ce que je croyais avant de préparer ce billet. Mais ce n’est pas exactement comme cela que ça marche…
Pour le Dr Barry Gordon, neurologue, nous utilisons pratiquement toutes les parties du cerveau, et cela, la plupart du temps. Dans une interview pour le Scientific American, il précise ”Le cerveau compte pour 3% du poids du corps… Et il consomme 20% de son énergie!”
Dans un épisode d’octobre 2010, les Mythbusters ont voulu en avoir le coeur net. Ils ont passé en revue le cerveau d’un de leur membres (Tori) avec plusieurs techniques. La magnétoencéphalographie indiquait une activité moyenne de 35% du cerveau, quelles que soient les activités. L’IRM fonctionnelle indiquait 15% d’activité cérébrale au repos, et 30% lorsqu’il racontait une histoire avec l’intention d’activer autant d’aires cérébrales que possible. Forts des ces résultats, ils ont fièrement déclaré le mythe “busted”.
Alors tant pis pour les rêves de super intelligence, de super-pouvoirs, ou plus prosaïquement de retrouver ses clés… Un organe qui consommerait 200% de notre énergie de nous emmènerait pas bien loin… Si on veut vraiment faire preuve d’intelligence, le plus sage consiste sans doute à accepter la réalité telle qu’elle est et de bosser encore et encore pour arriver là où on souhaite, sans dépenser des fortunes à chercher la technique miracle qui nous permet de nous dépasser. Arrêter de se comporter en mouton (cerveau: 140 grammes, à comparer aux 1400 grammes d’un cerveau moyen humain ), et cesser de croire aux solutions miracle est peut-être aussi un bon moyen de réveiller son potentiel!
Sources
- Dossier Podcast Science (Marco): Quelques mythes scientifiques
- Ten Percent of Brain Myth (Wikipedia)
- Do we use 10% of our brains? (Science for Kids, washington.edu)
- http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=people-only-use-10-percent-of-brain (2008)
- http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=do-we-really-use-only-10 (2004)
- La vie et l’oeuvre de William Sidis (Wikipedia)
- Analyse critique, le mythe de William Sidis
- Version en ligne du livre de Carnegie, avec la préface de Lowell
- Cellules gliales (Wikipedia)
- Karl Lashley (Wikipedia)
- http://en.wikipedia.org/wiki/MythBusters_(2010_season)#Brain_Drain
- http://mythbustersresults.com/tablecloth-chaos
- Pour créer votre propre photo d’Einstein en train d’écrire n’importe quoi: http://www.hetemeel.com/einsteinform.php
Un dossier bourré d'infos intéressantes sur l'énergie solaire, pour cette semaine ! Et c'est notre Alan national, que même les américains nous envient, qui s'en est occupé par ici !
Vous en apprendrez plus sur la rentabilité, la durabilité, ou encore les projets d'avenir pour cette énergie prometteuse dont la Suisse et la Chine sont les pionniers mondiaux. Pour le mp3, c'est en bas que ça se passe (player).
Et si vous le n'avez pas vue, ne manquez pas l'illustration de Lucile qui se la joue photovoltageek
Pour continuer, la p'tite vidéo qui va avec (à prendre avec des pincettes) :
ullScreen=”true” allowscriptaccess=”always” allowfullscreen=”true” />
On continue avec un plug' vers Research Gate, un réseau social consacré à la science, avec des profils scientifiques, des articles, un agenda des événements scientifiques et des bourses d'emplois !
Ensuite, quelques liens sur les news abordées en fin d'émission :
La fin de la seconde intercalaire ?
Convergence vocale chez les chimpanzés sur www.sciencesetavenir.fr
Et pour finir, les quotes de Podcast Science :
“Bienheureux les fêlés, car ils laisseront passer la lumière”
Michel Audiard, le cinéaste français.
“Quand on m'explique les mathématiques, je perds pied dès le premier mot. En physique, je comprends la première phrase, en biologie j'ai compris l'essentiel du message, et en sciences humaines chacun donne son avis.”
Roland Barthès, écrivain français.
Et voilà, on vous dit à la semaine prochaine, avec un dossier que Marco nous a vendu (comme il pouvait) sur les méthodes de datation en géologie !
C’est l’
On appelle les cellules de 2e génération les cellules à 
Derniers commentaires