Anh Tuan a vécu une expérience extraordinaire: “CulturePrimaire” a utilisé une de ses vidéos en cours ! L’activité a d’ailleurs été live-twittée. Le compte rendu est désormais disponible sur cestpasfaux.tv
Alan remercie les poditeurs pour tous leurs commentaires: une quantité impressionnante de feedbacks cette semaine. On apprend même qu’il y a désormais des maisons plus propres grâce à Podcast Science (François aime bien s’occuper quand il nous écoute et il a rattrapé tous les épisodes, sa maison et son jardin sont nickels!), d’ailleurs il nous indique que l’effet Muesli est à l’origine de l’envahissement de son jardin par les gros cailloux. Chmox nous en a posé une bonne, aussi, en demandant comment se comportent les bulles de champagne en apesanteur (question vache!). La seule réponse que nous ayons dénichée pour le moment est la suivante: http://www.youtube.com/watch?v=bgC-ocnTTto&feature=player_embedded
Un dernier petit merci à André, qui aime tellement le PS qu’il nous a ajouté dans la page “liens essentiels” de son site. Ce que j’aime surtout, c’est que nous y sommes présentés comme une équipe de jeunes passionnés, qui mâtinent les émissions de réflexions philosophiques. C’est tout nous 🙂
Les news partagées sur FB par notre petite communauté:
Le match s’intensifie avec un lien d’Olivier Tripet sur un article de Paul Jorion qui donne mal à la tête et qui s’interroge sur le réalisme scientifique dans le contexte de la physique quantique http://www.pauljorion.com/blog/?p=21201
Finalement, avantage Olivier avec un dernier lien super intéressant posté ce matin: où on apprend que le kilogramme est la seule unité de mesure qui n’ait pas encore été mappé sur une constante. La référence officielle est un kilogramme étalon en platine et en irridium, enfermé dans un coffre super sécurisé à Sèvres. Le projet Avogadro (http://www.acpo.csiro.au/avogadro.htm) à établir combien d’atomes contient un kilogramme, histoire qu’on se rappelle de la valeur si le kilo officiel disparaît de son coffre 😉 http://arstechnica.com/science/news/2011/02/measuring-a-kilogram-by-counting-atoms.ars
Nous finissons par arriver aux dossiers de la semaine:
Entre 40 et 50 éclairs ont lieu sur la terre chaque seconde, 70% d’entre eux se concentrent dans les zones tropicales.
Il se produit un séparation des charges électriques dans les nuages, lorsque s’approche un orage:
Dans la partie supérieure des nuages s’accumulent des charges positives.
La partie inférieure des nuages elle acquière des charges négatives.
La charge négative de la partie inférieure des nuages induit une charge positive sur la surface terrestre.
On sait que les charges de signe opposé s’attirent:
Lorsque cette force d’attraction entre zones de charges différentes est trop élevée, il se produit une décharge, un rayon ou éclair.
Les charges positives voyagent vers les négatives et vice-versa afin de neutraliser toutes les charges.
Le problème c’est que normalement il ne peut se produire de décharges dans l’air, car ce dernier est un isolant électrique.
Pour résoudre cette contradiction, il a fallu attendre 1992, date à laquelle le scientifique russe Aleksandr Gurevichproposa une explication:
Les nuages recevraient une aide provenant de l’espace pour déclencher la décharge électrique correspondant aux éclairs.
Electrification des nuages
Le procédé de séparation des charges dans les nuages n’est pas compris complètement par la communauté scientifique.
La théorie avancée actuellement la plus probable est la suivante:
Lorsqu’un orage approche, il se produit de fort courants d’air chaud ascendants qui entraînent les petites goutes d’eau qui constituent les propres nuages vers le haut.
En montant, ces goutes d’eau se refroidissent rapidemment de plusieurs dizaines de degrés en dessous de 0°C.
Cas 1– Si la goute d’eau rencontre une particule de poussière ou un cristal de glace préexistant dans le nuage:
la goutte d’eau s’y adhère et se congèle.
il se forma alors un cristal de glace de plus en plus grand.
lorsque son poids ne peut plus être supporté par les courants ascendants, celui-ci se précipite sous forme de flocon de neige ou de grêle.
Cas 2– Dans certaines occasions, lors de la friction ou du frottement de la goutte d’eau avec une particule de poussière ou à un cristal de glace préexistant, pas toute l’eau de la goutte ne s’y adhère :
un partie de la goutte survit et se convertit en un minuscule cristal de glace indépendant.
lors du frottement initial, un transfert de chargepeut avoir lieu:
la goutte d’eau transformée en cristal de glace minuscule acquière une charge positive, et vu sa taille très petite, elle continue d’être entraînée par les courant ascendants vers le haut du nuage.
le flocon de grêle lui acquière une charge négative, et dû à son poids, il occupe la zone inférieure du nuage.
Avec le temps, la zone supérieure du nuage se charge donc positivement via les petites gouttes d’eau cristalisées chargées positivement, alors que les particules plus grosses chargées négativement s’accumulent dans la zone inférieure du nuage proche de la terre.
La proximité des charges négatives du nuage avec le sol induisent un autre phénomène:
la Terre est considérée comme un conducteur électrique (les charges électriques qui se trouvent en son sein peuvent se déplacer facilement).
étant donné que les charges opposées s’attirent, la présence de charges négatives dans la partie inférieure du nuage induit une zone de charges positives sur le sol de la Terre, juste au-dessous du nuage.
Finalement on se retrouve donc avec 2 zones où s’accumulent des charges positives (sommet du nuage + sol), alors qu’au milieu se trouve une zone de charges négatives.
Rayons cosmiques
La décharge électrique n’a pas lieu spontanément dû au fait que l’air est un excellent isolant électrique, le champs électrique qui s’est créé au sein du nuage n’est pas suffisant pour qu’une décharge ait lieu.
Le nuage reçoit une aide extérieure provenant des rayons cosmiques.
Ces rayons cosmiques (dont l’origine peut provenir de différentes sources comme les vents solaires, les explosions de supernovas…) bombardent la Terre en permanence et sont composés de particules individuelles possédant de très hautes énergies.
Quand les particules des rayons cosmiques entrent dans l’atmosphère, elles rentrent en collision avec des molécules présentes dans l’air libérant ainsi toute leur énergie et générant des centaines de nouvelles particules.
On sait depuis la théorie de la relativité d’Einstein (E=mc²) que l’énergie peut se convertir en masse (la masse est une forme d’énergie).
L’énergie des rayons cosmiques se convertit donc en de nouvelles particules dû au choc et à la désintégration des molécules d’air, et ainsi de nombreux nouveaux électrons vont apparaître, chacun d’entre eux portant une partie de l’énergie libérée.
Si un de ces rayons cosmiques impacte contre un nuage annoncant un orage, des électrons libérés peuvent alors s’introduire dans le nuage préalablement électrifié.
Ils vont alors se trouver au sein du champs électrique du nuage, ce qui va aider à augmenter encore plus leur énergie.
Grâce à ces rayons cosmiques et au champs électrique du nuage, un phénomène de génération en cascade d’une avalanche d’électrons a donc lieu, accompagné d’une amplification de leur énergie.
Si l’énergie de ces électrons de charge négative permet de les amener et de les situer entre la superficie de la Terre chargée positivement et la base du nuage chargée négativement, ils seront alors d’une part attirés par la Terre et d’autre part aussi repoussé par la partie inférieure du nuage, autrement dit il vont être poussés vers le bas dans différentes directions, et c’est ce qui va déclencher la phase initiale de l’éclair, phénomène précurseur appelé traceur, qui précède l’arrivée de la foudre.
Le canal conducteur et la foudre
Cette phase initiale ou activité précurseur de rapprochement des électrons possédant une énergie élevée vers le sol est responsable d’ouvrir un canal conducteur entre le nuage et la Terre.
Lors de l’arrivée des électrons précurseurs à une dizaine ou une centaine de mètres de la surface terrestre, une décharge ou étincelle partant d’un point du sol monte à leur rencontre.
Les ions positifs accumulés sur la superficie terrestre ont tendance à être attirer par ces électrons traceurs en envoyant de petites étincelles (ce qui peut donner une impression que la décharge électrique monte).
Lorsque une de ces étincelles atteint un son but, le canal conducteur peut s’établir entre la Terre et le nuage.
Les électrons accumulés dans la partie inférieure du nuage sont alors attirés à leur tour et déchargés librement vers le sol via le canal conducteur sous forme d’un éclair aveuglant (foudre).
Les ions positifs possèdent une masse mille fois supérieure à celle des électrons, leur mobilité est donc extrêmement plus faible, ce qui justifie que ce soit les électrons provenant des nuages qui se déchargent vers la Terre et non l’inverse.
Tout au long de la trajectoire de l’éclair, d’une largeur de quelques centimètres, un réchauffement a lieu qui dilate subitement l’air du canal conducteur et génère des ondes de choc, comparables à celles qui sont formées par un coup de canon (tonnerre). Le tonnerre est donc dû à l’expansion explosive qui accompagne une montée soudaine et rapide de la température dans le canal conducteur.
Dossier de Anh Tuan dans l’épisode #24. Ce dossier a un peu vieillit et ne représente plus vraiment ce que pense les auteurs de ce blog. Allez donc voir ce qu’en dit le docteur Goulu.
Alors tout a commencé il y a quelques mois avec une discussion entre le Professeur Von et moi-même. Je lui avais alors appris que mon père était médecin spécialiste de l’acupuncture. Non familier de cette pratique, Prof Von pensait vraiment que ce n’était que poudres aux yeux et effet placebo. Depuis, je me suis juré de pondre un petit dossier pour lever le voile sur cet art millénaire chinois.
Donc me voilà, rien que pour vous, avec une petite introduction à l’acupuncture. Et on va commencer par situer le contexte. Première chose, on ne sait pas vraiment quand est née l’acupuncture, on ne sait pas non plus où se trouve son berceau.
Cependant les premières références à cette discipline chinoise sont découvertes dans “Les mémoires historiques“, ouvrage de Sima Qian, un des premiers historiens chinois. Ca nous situe alors l’implantation de l’acupuncture en Chine aux alentours du 2ème siècle avant JC.
En Chine, elle est alors utilisée pendant 2 millénaires pour rétablir l’équilibre entre le Yin et le Yang, les deux énergies qui circulent au travers des méridiens dans le corps humain. Mais nous reviendrons à cette notion plus tard.
Il faudra attendre le XIXème siècle pour que l’Occident s’intéresse à l’acupuncture. Et celui qui va tenter de l’introduire en Europe n’est autre que Louis Berlioz, père du célèbre compositeur Hector Berlioz. Mais cette discipline meurt petit à petit jusqu’à son renouveau dans les années 70.
Une illustration de notre amie Lucile
Après cette petite introduction historique, passons au principe de l’Acupuncture. Grâce à des aiguilles, le médecin stimule des points spécifiques situés sur des trajets bien précis : les méridiens. Parlons déjà des points d’acupuncture.
D’après une étude de comparaison menée en 1989, il s’est avéré que 309 points sont situés au dessus ou tout prêts de minuscules nerfs alors que 286 autres points sont proches de vaisseaux sanguins eux-mêmes entourés de nerfs appelés nervi vasorum.
C’est beaucoup trop pour n’être qu’une pure coïncidence. Et pour rajouter un peu plus de poids scientifique, en 1921, on avait déjà mesuré une baisse de la résistivité électrique de la peau à ces points précis.
En revanche, la science n’arrive toujours pas à statuer sur ces canaux d’énergies que sont les méridiens. Un petit espoir vient de nos amis Allemands. En utilisant des instruments de thermographie dermique, ils ont trouvé qu’en applicant une source de chaleur aux points d’acupuncture, celle-ci se diffusait de manière privilégiée sur le trajet supposé de ces fameux méridiens. Cependant, les résultats sont encore à l’étude. Rien n’est encore sûr.
Maintenant, grosse différence culturelle. Alors qu’en Orient, l’acupuncture est utilisée principalement pour réguler les déséquilibres du corps humain comme le trouble du sommeil, les migraines, ou les nausées, en Occident, elle est aujourd’hui principalement utilisée dans un but analgésique, pour supprimer la douleur.
Et ça fait parfaitement sens puisque les points d’action sont situés sur des nerfs du corps humain. Des études de 1977 à 2001 ont d’ailleurs suggéré que l’acupuncture stimulait la libération d’endorphine. En administrant de la naloxone, molécule inhibitrice des récepteurs morphiniques, les scientifiques ont constaté une suppression de l’effet analgésique de l’acupuncture.
Ces études appuieraient donc l’hypothèse de l’action neuro-hormonale de l’acupuncture.
Un autre mystère levé, la division de la population en deux catégories : ceux qui sont réceptifs à l’acupuncture et ceux qui ne le sont pas. Vous vous doutez bien que ça posait un petit problème pour la propagation de cette pratique. En 1990, on a donc étudié deux populations de rats. L’une était réceptive à la stimulation de “points” d’acupuncture et l’autre non.
Le point important est qu’après avoir injecté aux rats non-réceptifs de la D-Phénylalanine, molécule inhibant les enzymes qui dégradent les opiacés, ils sont ensuite rentré dans la catégorie réceptifs.
Pour la réceptivité à l’acupuncture, tout se joue donc encore sur des différences hormonales.
En conclusion, sans être entièrement confirmée, l’efficacité de l’acupuncture pour traiter la douleur est de plus en plus crédible.
Petit fait insolite : En 1972, un timbre chinois a été crée pour célébrer la première anesthésie par l’Acupuncture lors d’une chirurgie cardiaque. Vraiment à prendre avec des pincettes.
On peut dire que l’acupuncture a fait un très long voyage. Elle est passée de l’empirisme orientale à la rigueur scientifique occidentale. Et ce n’est pas totalement incompatible je trouve.
Anh Tuan partage une petite news concernant la désinfection de l’eau par UV que le Professeur Von a déjà traité ici : la société Bio-UV commercialise une borne d’assainissement de l’eau dans les zones en voie de développement, ça s’appelle Bio-Sun
Alan dit deux mots de sa visite au CERN et propose qu’on aille tous le visiter cet été. Qui est partant-e?
Après cette longue intro, nous attaquons enfin les dossiers de la semaine:
Enfin la quote de la semaine de Mathieu (ou plutôt la prédiction cette fois-ci) est plutôt terrifiante:
“l’étape finale dans la domestication de la biotechnologie sera la création de jeux biotechs, conçus comme des jeux vidéos pour les enfants à partir de la maternelle, mais joués avec de vrais oeufs et de vraies graines au lieu d’images sur un écran. Le gagnant sera le gamin qui créera les graines engendrant le cactus le plus épineux, ou celui dont l’oeuf donnera naissance au dinosaure le plus mignon” – Freeman Dyson, 2007, (mathématicien et astrophysicien) au sujet des jeux biotiques et publiée dans l’article http://www.internetactu.net/2011/01/28/jouer-avec-le-vivant
Prochain enregistrement le jeudi 17 février. D’ici là, une excellente semaine à toutes et à tous!
Le sujet nous avait été demandé via Twitter par Franck Pascaud le 31 décembre 2010, qui s’interrogeait, sans doute, le nez dans les bulles du liquide doré, d’où le phénomène pouvait bien venir… Nous sommes le 10 février et j’avais un peu oublié la suggestion à vrai dire, jusqu’à ce que l’absence d’Anh Tuan la semaine dernière pour le Nouvel-An chinois m’y fasse repenser.
Coup de bol, un de mes podcasts préférés m’a branché sur une piste insoupçonnée. Le podcast en question est une émission de la station de radio Triple J, en Australie, où un espèce de génie qui sait tout, et qui en plus est très marrant, le mythique Dr Karl, répondait à une question d’auditeur: est-il vrai qu’une petite cuillère glissée dans le goulot d’une bouteille de champagne permet d’en préserver les bulles quand bien même la bouteille est débouchonnée?
La réponse, en court est non. Mais le très volubile Dr Karl ne pouvait pas s’en tenir à une réponse si courte. Il a parlé d’un chercheur, soi-disant chef de la recherche chez Moët et Chandon (mais je crois qu’il a été un peu light sur la vérification des sources, car je n’ai rien trouvé qui le confirme) et qui est une véritable star des bulles de champagne: Jihad Livia Belare. Prononciation australienne oblige, en fait, il s’appelle Gérard Liger-Belair et c’est effectivement un très grand spécialiste de la bulle de champagne, si ce n’est le plus grand: il les a étudiées sous toutes les coutures et a écrit des dizaines d’articles scientifiques (j’en ai dénombré 133 dans Google Scholars!)
Bref, s’il fallait chercher les travaux d’un spécialiste des bulles de champagne pour comprendre quoi on parle, c’était les siens. Devant l’embarras du choix, j’ai opté pour un article publié en 2009 dans l’American Scientist intitulé Bubbles and Flow Patterns in Champagne, qu’il a co-signé et tellement bien construit et approfondi que j’ai pris un plaisir fou à le traduire et l’adapter (même si par moments il faut s’accrocher, franchement, la science des bulles, c’est bien plus costaud que tout ce que j’avais imaginé) :
La légende, dit l’article, veut que le moine bénédictin Dom Pierre Pérignon aurait découvert la méthode champenoise pour produire des vins pétillants il y a plus de 300 ans. En fait, un papier présenté à la Royal Society, à Londres (l’institution fondée en 1660 destinée à la promotion des sciences, qui existe encore aujourd’hui), décrivait la méthode de production du champagne en 1662, soit six ans avant que Pérignon ne mette le pied dans un monastère. En fait, la première tâche de Pérignon était à l’origine de trouver un moyen de supprimer les bulles du champagne: l’effervescence était considérée comme vulgaire à l’époque! Mais progressivement, les goûts ont changé et la mission de Pérignon s’est inversée. Et il a été à l’origine de nombreux progrès dans la production champenoise, dont une augmentation de la carbonation. Mais dans tous les cas, ce processus n’était pas utilisé régulièrement en Champagne avant le XIXe siècle. Et depuis là, le champagne est resté le vin de toutes les célébrations, et cela, sans doute, en raison de ses bulles.
L’article s’interroge sur le rôle des bulles… Juste esthétiques? Participent-elles au goût final du produit? Mais bon, nous allons plutôt nous intéresser à la physique des fluides derrière les bulles…
La méthode champenoise
Les vins pétillants et le champagne résultent d’un processus de fermentation en deux étapes. Une fois la première fermentation alcoolique achevée, le vin obtenu est embouteillé avec un mélange de levures et de sucre. Du coup, une seconde fermentation commence dans la bouteille pendant que les levures consomment le sucre. Le processus produit de l’alcool et une grande quantité de dioxyde de carbone (CO2), environ 10 grammes par litre de Champagne. Le produit fini est soumis à une pression de 5 ou 6 atmosphères (la pression qu’on subit en nageant à 40-50m. de profondeur!)
Lorsqu’on ouvre la bouteille, le gaz jaillit sous forme de minuscules bulles de CO2. Pour que le liquide puisse retrouver un état d’équilibre une fois le bouchon retiré, quelque 5 litres de gaz sont libérés de chaque bouteille de 75 cl!, soit environ 6 fois son volume. 80% du CO2 est expulsé à l’ouverture. Et le 20% restant correspond aux 20 millions de bulles dans chaque verre (une flûte typique contient environ 10 cl, 1 dl, ou 0.1 litre). Les connaisseurs apprécient d’ailleurs la finesse des bulles, gage de qualité.
Pour la plupart des gens, le rôle des bulles dans les dégustations consiste d’abord à éveiller le sens de la vue: l’image du champagne est intrinsèquement liée aux bulles qui ressemblent à des chaînes de perles dans le verre et qui créent un coussin de mousse à la surface. Mais au-delà de cet aspect visuel, les connaisseurs avisés voient dans cette effervescence l’un des principaux vecteurs de la saveur, parce que l’explosion des bulles de CO2 véhicule l’arôme des vins effervescents directement dans la nez et la bouche des dégustateurs.
La naissance des bulles
La première étape consiste à élucider le mystère de la formation des bulles. En général, il existe deux méthodes (parfois combinées) pour générer des chaînes de bulles dans les verres de champagne. L’effervescence naturelle dépend d’une condition aléatoire (c’est à dire du hasard) soit la présence de minuscules fibres de cellulose déposées soit par l’air soit par le torchon qui a servi à essuyer les verres.
Chaque fibre, d’une longeur de 100 micromètres environ, développe une poche interne de gaz tandis que le verre est rempli. Le fluide essaie de pénétrer dans le micro-canal de la fibre par capillarité, mais comme la fibre est complètement submergée avant l’arrivée du liquide, elle s’accroche au gaz qu’elle a emprisonné. Cet “emprisonnement” est rendu plus facile lorsque les fibres sont longues et fines et lorsque le liquide a une faible tension superficielle et une grande viscosité.
La tension superficielle permet à un pengő hongrois en aluminium de ne pas couler au fond du verre d’eau (bien que l’aluminium soit plus dense que l’eau)…
La tension superficielle, c’est la force qui fait que deux petites gouttes de liquide ont tendance à éviter d’en former une grosse si elles en ont l’occasion, comme sur une feuille de lotus ou dans une poêle en téflon, ou encore la force qui permet à certains insectes de marcher sur l’eau sans s’enfoncer.
Et la tension superficielle du champagne, donc, se situe environ 30% en-dessous de celle de l’eau et sa viscosité est environ 50% au-dessus.
Ces poches de gaz en microfibres servent de sites de nucléation (c’est à dire de “germination”) pour la formation des bulles. Pour se rassembler, le CO2 doit pousser et se frayer un chemin à travers les molécules de liquide qui tiennent ensemble grâce aux forces de van der Waals (les fameuses forces qui permettent aux geckos de se balader sur du verre à la verticale même s’ils ont les pattes pleines de boue, mais ça, c’est une autre histoire 😉 ), donc le CO2 doit pousser à travers le liquide et ce serait mission impossible sans les poches de gaz qui abaissent la barrière énergétique pour la formation de bulles. On notera au passage que les seules irrégularités du verre sont trop petites pour produire ce genre de résultats.
Une fois que la bulle atteint la taille de 10 à 50 micromètres, elle est assez légère pour se détacher de la fibre. Quand elle se détache, une autre bulle se forme instantanément, avec une précision d’horloge suisse. En moyenne, 30 bulles par secondes sont libérées par chaque fibre. Les bulles s’élargissent pendant leur ascension car elles captent du CO2 au passage, ce qui les rend encore plus légères et accélère leur course pendant la montée. Elles ne dépassent en général pas le millimètre de diamètre à la fin de leur course qui dure 1 à 5 secondes pour atteindre la surface.
Dans la mesure où la nucléation naturelle est un processus aléatoire par définition difficile à contrôler, une autre manière de créer les bulles consiste à se servir d’un processus mécanique parfaitement reproductible et prévisible d’une rasade à l’autre. C’est assez simple: à l’aide d’un laser, on grave de minuscules sites de nucléation au fond du verre, d’une taille appropriée. Il est assez commun d’utiliser ce type de verres pour les dégustations dans les grandes maisons champenoises. Cela permet de rendre l’effervescence plaisante à l’oeil. Les verriers, dans ce cas, créent pas moins de 20 impacts pour créer une forme d’anneau au fond du verre, ce qui produit des colonnes régulières de bulles ascendantes.
Un flux qui pétille
Le déplacement d’un objet dans un fluide au repos entraîne le déplacement de couches de fluides dans les alentours immédiats. Les bulles de champagne ne font bien sûr pas exception à la règle: elles se comportent comme des objets en mouvement, quelle que soit la méthode – artificielle ou aléatoire – qui a permis de les produire. La viscosité du champagne fait de la partie inférieure de la bulle une zone à basse pression qui attire les molécules de fluide du voisinage, ce qui a pour conséquence d’éjecter du liquide à la surface, et cela même si les bulles se déplacent quelque 10x plus rapidement que le fluide.
En conséquence, les bulles et le liquide créent chacune leur flux vers le haut en suivant une ligne imaginaire au centre du verre. Du fait de la génération permanente de bulles depuis les sites de nucléation, et parce qu’un verre de champagne est un récipient limité, avec un début et une fin, cette ascension constante entraîne également inéluctablement un flux circulaire.
Pour avoir une idée précise du rôle des bulles dans le mouvement du fluide, on a observé une flûte de champagne contenant un seul site de nucléation au fond du verre. L’évolution géométrique de la bulle est déjà bien étudiée dans les boissons gazéifiées. Par exemple, on sait que le taux de croissance de la bulle pendant son ascension conduit de manière assez certaine à un diamètre moyen de 500 micromètres pour une migration de 10 centimètres dans la flûte. En fait, pour ce type de liquides sursaturés avec des molécules dissoutes de gaz CO2, des observations empiriques indiquent que le diamètre de la bulle est proportionnel à la racine cubique du déplacement vertical.
Une autre caractéristique des bulles est qu’elles peuvent prendre la forme de sphères soit rigides soit flexibles pendant qu’elles montent, en fonction du contenu du fluide dans lequel elles se trouvent.
Après, j’arrête, c’est promis, ça devient un peu hard là…
Les sphères rigides sont davantage entraînées que les sphères flexibles. Les bulles de champagnes ne se comportent pas comme des sphères rigides, tandis que les bulles d’autres fluides pétillants, comme la bière, si. La bière contient beaucoup de protéines qui tapissent la paroi des bulles pendant leur montée, ce qui empêche leur déformation. La bière est également moins gazeuse que le champagne, du coup, les bulles ne croissent pas aussi rapidement, ce qui permet aux protéines de les encercler complètement. Mais le champagne est un fluide relativement pauvre en protéines. Du coup, il y a moins de tensioactifs pour coller aux bulles et ralentir leur ascension. (Un tensioactif, ou agent de surface (surfactant en anglais) est un composé qui modifie la tension superficielle entre deux surfaces.)
De plus, la haute teneur en CO2 du champagne fait croître les bulles très rapidement pendant leur ascension, créant ainsi encore davantage de surface intacte: les bulles, de fait, se débarrassent de leurs tensioactifs plus rapidement encore que de nouvelles molécules peuvent occuper l’espace. Ceci dit, il faut quand même un minimum de tensioactifs pour guider les bulles en ligne droite vers le haut. Sans cela, les bulles partiraient dans tous les sens.
Bref, je vous passe les détails sur les expériences super high-tech avec l’imagerie par lasers à tomographie, impliquant des nappes laser (j’ai dû aller sur le site de la nasa (http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/tunvlaser.html) pour comprendre de quoi il s’agit… Aucune trace sur wikipedia 😉
Je vous dispense aussi du détail sur les rapports de force entre les tourbillons et les bulles ascendantes, des rapports très détaillés entre hasard et sites de nucléation… Ainsi que la différence du vortex créé dans la coupe plutôt que dans la flûte 😉 Mais pour les passionnés ou les plus motivés, tout est extrêmement bien documenté dans l’article original du Scientific American, n’hésitez pas à le lire!
Voilà, pour ma part, j’étais déjà assez fasciné par les flux des bulles de champagne. C’est le genre de trucs que je peux regarder pendant des heures. Après ça, je vais les regarder encore plus attentivement. Je ne me doutais pas que le phénomène faisait appel à des explications aussi complexes, les bulles valent vraiment un petit coup d’oeil 😉
Alors aujourd’hui j’ai voulu faire un truc un petit peu spécial pour moi, j’ai voulu reprendre un de mes tous premiers dossiers, à l’époque où j’étais encore chroniqueur chez WillandCo, un podcast de la famille Nowatch.
Me suis dit que ça serait bien marrant de retravailler un ancien sujet, voir si je l’aborde différemment à présent.
Je pense qu’on l’a prouvé avec Podcastscience mais c’est toujours utile de le rappeler, la science est PARTOUT. Il suffit de voir la liste des sujets traités depuis le début. Alors ça va du daltonisme en passant par le vieillissement cellulaire jusqu’à l’épineuse question de l’origine de l’univers. C’est vraiment très large donc et je pense que c’est pour ça qu’on est tous les trois passionnés.
Et il y a un domaine qui n’échappe pas à la science et c’est quelque chose qu’on est censé faire tous les matins et qui apporte 25% des apports journaliers recommandés. C’est bien sûr le « petit-déjeuner ».
Alors non je ne vais pas vous parler nutrition mais d’un petit effet rigolo qui se passe dans les boîtes de céréales et qu’on appelle : l’effet Muesli. Vous allez voir, le Professeur Von a déjà écouté le sujet quand j’étais chez Willandco et il ne peut plus s’empêcher d’y penser à chaque fois qu’il se verse un bon bol de céréales.
Mais qu’est-ce que l’effet Muesli ? Quand on se sert dans un paquet de céréales tout juste ouvert, tout est parfait. On a de bons gros flocons, pleins de fruits, etc … Puis vient le matin fatidique où on arrive à la fin du paquet et là qu’est-ce qui reste ? Les miettes.
Et c’est là que c’est bizarre : Les particules les plus grosses et les plus lourdes devraient tomber au fond à cause de leur poids non ? Ce phénomène contre-intuitif est ce qu’on appelle l’effet Muesli.
En fait, les céréales forment un matériau qu’on dit granulaire, composé de grains. Ces matériaux sont un peu particulier, ils ne se comportent tantôt comme un solide tantôt comme un liquide . Ils sont donc un petit peu à part et sont soumis à ce qu’on appelle la ségrégation granulaire
Pour comprendre le phénomène, imaginons le voyage de notre boîte de céréales. Pendant son transport, de l’usine jusqu’à notre salle à manger, elle a subit de nombreuses vibrations. Et en vibrant, tous les flocons de la boîte bougent mais seuls les plus petits éléments peuvent s’immiscer dans les espaces crées entre les plus gros.
C’est l’effet Muesli ou Brazil-nut Effect qu’on traduirait par Effet Noix du Brésil. C’est le nom donné à ce phénomène parce qu’on l’a découvert dans les camions chargés de ces noix et roulant sur les chemins cahoteux d’Amérique du Sud. A l’arrivée, les routiers constataient que les-dites noix étaient toujours triées à cause des secousses de la route, c’est typiquement un cas de ségrégation granulaire.
Mais concrètement, a quoi peut bien nous servir de connaître l’Effet Muesli ? En fait , ça nous apprend qu’il ne sert strictement à rien de secouer le paquet pour essayer de mélanger à l’intérieur. Au contraire, on ne ferait qu’accentuer le phénomène.
Et si c’est un vrai problème pour les fabricants de céréales, c’est tout de suite un cauchemar pour les entreprises pharmaceutiques ! Les ingrédients de nos comprimés étant principalement sous forme de poudres et donc soumis à cette ségrégation granulaire, sans ajustement, ça peut fausser les dosages pour la composition des médicaments. Et là, c’est un peu plus grave que les miettes au fond du paquet de céréales.
Autre domaine où les ingénieurs essayent de contrer la maudite ségrégation granulaire, les travaux publics et plus précisément la préparation du ciment. Le manque d’homogénéité à l’intérieur de celui-ci lors du mélange peut être catastrophique pour la solidité de la structure à construire.
Vous voyez, c’est fou comment quelque chose qui se passe tous les jours dans notre bol de céréales peut se retrouver dans l’élaboration des médicaments ou la construction d’immeubles
Mais pour finir avec une note joyeuse sur l’Effet Muesli, dans certaines situations, connaître ce phénomène peut réellement vous sauver la vie ! En cas d’avalanche par exemple, le manteau neigeux qui se détache agit exactement comme un matériau granulaire. D’après des recherches très sérieuses, il serait plus important de garder ses mains près du visage pour créer une bulle d’air plutôt que de nager pour essayer de rester en surface.
L’effet Muesli devrait alors agir tout seul pour éviter ou du moins réduire l’ensevelissement.
Maintenant, j’espère que penser à l’Effet Muesli à chacun de vos petit-déjeuners va devenir un petit rituel.
N’ayons peur de rien! Cela faisait quelques semaines que Mathieu ne s’était plus lancé dans des sujets impossibles. Si cela vous manquait, vous allez être servis: nous abordons cette semaine la question de l’origine de l’univers. Rien que ça. Si si. En toute modestie 🙂
Mais avant cela, Anh Tuan, qui est absent (car il fête son entrée dans l’année du chat) est quand même présent au travers d’un petit message de bonne année. Chat… Absent et présent en même temps… Schrödinger n’aurait pas fait mieux, bravo Anh Tuan et bonne année 😉
Mathieu nous parle rapidement de la découverte d’une nouvelle espèce de dinosaure à 1 doigt trouvé cette fois-ci en Mongolie, appartenant à un groupe de dinosaures carnivores et bipèdes appelés théropodes et répondant au doux nom scientifique de Linhenykus monodactylus. Source: http://www.xatakaciencia.com/paleontologia/dinosaurio-con-un-solo-dedo (article en espagnol)
Alan nous fait le point sur le crowd-sourcing: nous n’avons plus besoin de chercher de sujets, ils atterrissent tous seuls dans Facebook :
un réseau social destiné à l’enseignement des sciences dans le primaire: http://educasciences.ning.com/ (via Olivier Tripet) Il s’agit d’une plate-forme qui devait s’adresser en priorité à l’origine (en 2008) aux futurs profs de science de l’Université de Genève, mais les concepteurs ont opté pour une solution ouverte, et du coup, le site bénéficie de plein de contributions d’un peu partout… On va peut-être y contribuer en y publiant certains de nos dossiers…
Une autre initiative sympa: http://www.culture-primaire.be/ (Pourquoi faire un site de classe solitaire alors que l’on peut faire naître une collaboration entre deux classes d’école différente ?) => collaboration entre plusieurs classes primaires de Belgique. Salutations aux élèves (qui nous ont écouté à la semaine dernière) et aux profs qui sortent des sentiers battus avec cette excellente initiative!)
Universcience.tv est la webTV scientifique hebdomadaire de Universcience, le nouvel établissement qui regroupe la Cité des sciences et de l’industrie et le Palais de la découverte.
La NASA a trouvé quelques 500 exo-planètes et peut-être même un millier grâce au téléscope spatial Keppler qui ne scanne qu’un petit bout du ciel à la fois (mini docu BBC) : http://www.bbc.co.uk/news/science (Xavier Agnès)
Et enfin, Alexandre Seguin nous demande de partager les podcasts que nous écoutons, ce que nous ferons avec plaisir d’ici la semaine prochaine 🙂
Le demi-savoir triomphe plus facilement que le savoir complet : il conçoit les choses plus simples qu’elles ne sont, et en forme par suite une idée plus saisissable et plus convaincante. (Friedrich Nietzche)
Prochain enregistrement le jeudi 10 février 2011, d’ici là: une excellente semaine!
La cosmogonie tente de décrire la formation de l’Univers, alors que la cosmologie est la science qui s’intéresse aux lois qui gouvernent l’Univers en tant que système physique.
Il paraît qu’il n’y a pas de culture sans cosmogonie (à vérifier auprès des anthropologues…).
Nature ontologique et législative de l’Univers
Avant Galilée on considérait qu’il existait un monde sub-lunaire fait d’une matière de 4 éléments et un monde supra-lunaire constitué d’une autre essence.
Donc 2 mondes constitués de 2 matières différentes.
Galiléeest probablement le premier à avoir décrit la notion d’Univers:
Il dit qu’il existe un seul monde constitué d’une seule matière partout la même (unité ontologique).
Il dit aussi que les lois de l’Univers sont les mêmes en tout point de l’Univers (espace) et à tout instant dans l’Univers (temps), elles sont universelles (unité législative):
Au sens moderne du terme, ce sont ces 2 unités (ontologiques + législatives) qui permettent de définir ce qu’on appelle un Univers.
Le Néant
La plupart des cosmogonies qu’on trouve dans toutes les différentes cultures envisagent que l’origine de l’Univers est issue du Néant, au sein duquel la lumière est apparue, et c’est ce qui a déclenché l’apparition d’un Univers en évolution.
Les chinois:
ne se posent cependant pas la question de l’origine, car ils n’ont pas la notion de Néant.
Pour eux, il y a toujours eu un Etre qui n’a pas cessé de se tranformer et de subir des mutations tout au long de son histoire qui n’a pas eu de commencement.
Le questionnement sur l’origine n’est pas aussi universel qu’on veut bien le croire, mais il est très présent dans la plupart des cultures (en l’occruence dans la judéo-chrétienne).
Si on essaie d’imaginer le Néant en fermant les yeux, tout de suite on en fait quelque chose.
Chaque fois qu’on pense le Néant, on lui attribue des propriétés qui le distingue du Néant.
L’idée de Néant est donc une idée destructrice d’elle-même.
On voit donc qu’on a de la peine à décrire le concept de Néant.
Le mot Origine
Le sens du mot “Origine” porte généralement l’idée:
du passage de l’absence de toute chose à quelque chose.
de la transformation du Néant qui devient autre chose que lui-même.
Cependant, cette idée de transformationliée au mot “Origine” n’est généralement pas présente quand on veut décrire l’Origine de l’Univers.
On constate souvent que quand on parle d’Origine de l’Univers, on a plutôt tendance à décrire quelque chose en amont qui permet d’expliquer comment la chose (en l’occurence l’Univers) dont on veut décrire l’Origine est apparue.
Autrerment dit ce qu’on appelle Origine est en réalité l’achèvement d’un processus antérieur qui a fait apparaître la chose (en l’occurence l’Univers) dont on dit qu’on a compris l’Origine.
Donc dans ce discours le mot Origine devient synonyme de Conclusion! Ce qui peut sembler être un paradoxe!
Notre culture a aussi tendance à nous emmener vers l’idée que si l’Univers a eu une histoire, c’est qu’il a eu un commencement et ce commencement résulte d’une Création et non d’une Transformation.
On met généralement en scène un être transcendant (par exemple Dieu) dont l’action sur le Néant a permis de créer l’Univers.
On parle d’ailleurs plutôt d’un Dieu réduit à sa fonction de créateur de l’Univers et non d’un Dieu garant de la perduration du monde.
Selon notre mode de pensée, l’Univers n’est pas né du Néant, on ne décrit pas l’Univers comme le résultat d’une transfomation à partir du Néant, notre Univers serait plutôt le résultat d’une Création.
En Occident, on a de la peine définir le changement (et notamment le changement orginel), à penser et décrire un état intermédiaire de transition entre le Non-Etre (Néant) et l’Etre (Univers).
Les grecs avaient aussi relevés une contradiction entre le concept de changement et l’idée d’identité:
Si une chose a changé, c’est qu’elle cesse d’être elle-même (puisqu’elle a changé).
Si au contraire, elle reste identique à elle-même, c’est qu’elle n’a pas changé.
Par exemple, quand on dit: “Une feuille d’arbre a changé” (elle était verte en été, elle est jaune en automne)
On pourrait très bien pensé et dire que: “La feuille verte a été remplacée par la feuille jaune”
Ce changement (apparant) pourrait donc se traduire par un remplacement.
Mais en réalité ce n’est pas ce qu’on veut dire.
On veut en réalité dire: “La couleur de la feuille de l’arbre a changé” (une propriétéde la feuille a changé, mais ça reste la même feuille).
Le sujet du verbe changer (la feuille) est précisément ce qui n’a pas changé dans la transformation.
Donc d’une manière plus générale, quand on dit que x a changé, le sujet du verbe changerx est précisément ce qui n’a pas changé.
On conceptualise le changement en utilisant la notion d’identité (donc d’invariance).
Notre langue en est en partie responsable car elle est ontologique:
nous désignons des objets et leur donnons une identité (chaise, vélo, étoile…).
La transformation se caractérise par un changement de la propriété de l’objet et non de l’objet lui-même (qui reste présent avant et après la transformation).
On peine à considèrer l’idée opposée qui consiste à dire que c’est la transformation elle-même qui est à l’origine des objets et de l’Univers (un objet est la manifestation d’une transition).
L’Origine de l’Univers
Notre manière de conceptualiser le changement en utilisant la notion d’identité fonctionnne-t-elle pour expliquer l’origine de l’Univers et des objets qui le constituent?
Origines secondaires
Pour décrire les origines des objets qui constituent l’Univers (tables, voitures, atomes, étoiles, galaxies…), notre manière de conceptualiser le changement avec la notion d’invariance fonctionnne:
par exemple les atomes sont formés dans les étoiles, et leur origine est le résultat d’une réaction nucléaire entre protons et neutrons (nucléons) appelée nucléosynthèse (fission, fusion nucléaire).
Ce sont les changements dans l’organisation de ces nucléons (via les réactions nucléaires) qui ont fabriqués les atomes.
On arrive donc à décrire ce changement en terme d’invariant:
Dans ce cas, les invariants sont les particules fondamentales (nucléons) qui étaient là avant et qui se combinent autrement pour former les noyaux d’atomes dans les étoiles.
On explique l’origine de la vie à partir des ingrédients préalables qui permettent l’apparition de la vie.
On explique l’origine des êtres physiques en invoquant d’autres êtres physique.
L’explication des origines secondaires est immanente.
Pour des objets d’origines secondaires, conceptuellement on explique l’Etre par l’Etre.
Vu qu’on est capable de décrire l’origine relative des objets qui constituent l’Univers, on croit être capable d’aller plus loin et pouvoir décrire l’origine de l’Univers lui-même.
Origine primaire
Pour décrire l’origine de l’Univers (sans action créatrice), est-ce que cette conception du changement qui conserve cette notion d’identité tient encore la route?
Si le Néant devient l’Etre (l’Univers), c’est qu’il y a un changement.
Mais selon notre conception, pour qu’il y ait changement, il faut que quelque chose ne change pas au cours du changement.
Qu’est ce qui dans le Néant peut ne pas changer, pour que le Néant devienne autre chose que lui-même?
On arrive au noeud irréductible de la question…
Car quand on veut expliquer comment le Néant a pu cesser d’être le Néant, on lui attribue alors des propriétés qui font que le Néant n’est plus le Néant (le Néant c’est le Rien, il ne peut avoir de propriétés).
Théorie unifiée du Tout
Parle-t-on d’unification ontologique?
Dans l’espace il n’y aurait alors qu’une sorte d’objets (par exemple des supercordes).
L’existence d’un élément fondamental qui engendrerait tous les objets présents dans notre Univers, objets qui acquièrent alors une origine secondaire par rapport à l’élément fondamental.
Parle-t-on d’unification législative?
Le contexte et un certain nombre de conditions ont permi l’émergence de l’existence de l’Univers.
Il faudrait pouvoir unifier les lois de la relativité générale (infiniment grand: gravitation) avec celles de la mécanique quantique(infiniment petit: force électromagnétique, intéraction faible et intération forte) au sein d’un formalisme unique.
Ces 2 modèles théoriques s’appuient sur des pilliers et statuts incompatibles:
La relativité générale décrit un espace-temps souple, dynamique et continu qui intéragit avec la matière qu’il contient.
La mécanique quantique décrit un espace-temps plat, statique et discret.
Une Théorie du Tout sera-t-elle capable de nous dire comment l’Univers est apparu?
Lors de l’apparition de l’Univers, les lois physique sur lesquelles repose cet Univers étaient-elles déjà là en attente d’Univers de façon transcendante? (existaient-elles avant l’Univers?)
Ou l’Univers crée-t-il plutôt en son sein ses lois physiques de façon immanente à mesure qu’il évolue?
Sera-t-on capable de trancher un jour cette question fondamentale? (l’oeuf ou la poule)
La question de l’origine de l’Univers est-elle un mystère (ne peut pas être expliquée) ou plutôt une énigme (un problème à résoudre)?
La question semble si difficile qu’on essaie de la simplifier conceptuellement en expliquant que l’Univers n’a pas d’origine!
L’histoire de l’Univers
On a compris que de manière générale, la plupart des objets qui constituent l’Univers ont une histoire et sont le résultat d’une évolution qui les a produit à partir d’états antérieurs qui ne les contenaient pas.
Mais dire qu’il y a de l’histoire dans l’Univers ne veut forcément pas dire que l’Univers a une histoire!
C’est au XIXème siècle qu’on a commencé à imaginer une histoire de l’Univers:
Quand on a élaboré la thermodynamique, on a appliqué les lois de la thermodynanmique d’une part aux objets qui constituent l’Univers, mais aussi à l’Univers lui-même.
=> on en a conclu que l’Univers arriverait à une mort thermique (à la fin de son histoire).
Plus tard, on a utilisé la théorie de relativité générale pour analyser l’évolution de l’Univers et décrire son histoire passée:
La relativité générale considère que l’Univers dans sa totalité est un objet physique.
C’est-à-dire qu’on peut définir des paramètres physiques qui décrivent l’Univers tout entier.
Si on applique les équations de la relativité générale et qu’on remonte le temps, elles aboutissent à la description d’un Univers de plus en plus petit pour finalement terminer ponctuel.
Le physicien russe George Gamow a aussi montré que la contraction de l’Univers qui s’effectue lorsqu’on remonte le cours du temps correspond aussi à une élévation de température.
Donc l’Univers primordial semble avoir été:
Beaucoup plus petit (volume nul)
Beaucoup plus dense énergétiquement (densité infinie)
Beaucoup plus chaud (température infinie)
De là est née la notion Singularité initiale et de Big Bang.
Le Big Bang semble donc correspondre à l’apparition de:
la matière
de l’espace
du temps
de l’énergie
Le Big Bang serait alors l’instant zéro correspondant à la création de l’Univers.
Pourquoi ne pas donc considérer cet état primordial, cette Singularité initiale comme l’origine effective de l’Univers? En réalité cette extrapolation qui nous permet d’arriver à l’instant zéro est abusive!
Quand on remonte le cours du temps, la densité de matière et la température deviennent de plus en plus élevées.
L’énergie des particules qui se trouvent dans l’Univers devient aussi de plus en plus élevée.
Pour atteindre ces niveaux d’énergie, les particules ne sont plus soumises uniquement à la force de gravitation, elles subissent aussi l’effet des 3 autres forces fondamentales (électromagnétiques, l’intéraction forte et l’intéraction faible).
Et ces 3 intéractions ne sont pas décrites par la théorie de la relativité générale (qui décrit uniquement la force de gravitation).
Il y a donc un moment quand on remonte dans le passé où les équations de la relativité générale n’arrivent plus à décrire ce qui se passe.
Ce moment correspond au mur de Planck qui est apparu 10-43seconde après le Big Bang.
Le mur de Planck peut être calculé à partir de la constante de Planck, l’une des 3 constantes fondamentales universelles (constante de gravitation, vitesse de la lumière et constante de Planck).
Le mur de Planck peut ainsi être caractérisé soit par un durée (temps de Planck = 10-43 seconde), soit par une longueur (longueur de Planck = 10-33 cm), soit par une énergie (1019 GeV).
On ne peut pas intégrer les équations de la relativité générale au delà dur mur de Planck et donc à fortiori extrapoller à l’instant zéro correspondant au Big Bang.
En amont du mur de Planck, nos théories physiques actuelles entrent en collision les unes avec les autres, le temps par exemple n’existe pas.
L’instant zéro apparaît donc comme un instant au-travers duquel l’Univers tel qu’il est décrit par nos lois physiques n’a jamais pu passer!
Pour passer le mur de Planck, et décrire l’évolution de l’Univers entre le mur de Planck et l’instant zéro, il faudrait pouvoir unifier au moyen d’un formalisme commun la théorie de la relativité générale (force de gravitation) avec la mécanique quantique (force électromagnétique + 2 intéractions nucléaires). Il existe quelques approches d’unification:
La théorie des cordes (théorie des supercordes: 10 dimensions – théorie M: 11 dimensions).
Toutes les particules de la matière correspondent à des états de vibration uniques d’un particule fondamentale infiniment petite qui fait penser à une corde vibrante (dans un espace-temps multi-dimensionnel).
Si on tente de décrire l’Univers primordial avec la théorie des cordes, il arrivent un moment où les calculs deviennent trop compliqués et impossibles, car les cordes deviennent trop enchevêtrées.
Actuellement il n’est donc pas possible de décrire actuellement l’Univers primordial avec la théorie des cordes.
De plus la théorie des cordes ne peut pas être observée ni testée expérimentalement.
Cependant la beauté de la théorie des cordes réside autre part:
Elle décrit un espace-temps multi-dimensionnel (par exemple à 10 ou 11 dimensions) dans lequel il n’existe pas de gravitation.
Les objets qui sont dans cet espace-temps obéissent aux lois de la physique quantique et leur cinématique est décrite par la théorie relativité de la restreinte (théorie de la relativité qui ne prend pas en compte la gravitation).
Donc les prémisses de la théorie n’incluent pas la gravitation.
La beauté réside dans le fait qu’à partir des ces principes on aboutit aux équations de la relativité générale (qui elle intègre la gravitation).
La théorie des cordes fait apparaître le graviton comme la particule responsable de la gravitation.
La gravitation est donc déduite de la théorie des cordes, elle en est une conséquence.
La théorie des champs de la mécanique quantique peut aussi être prédite à partir de la théorie des cordes.
Mais la théorie des cordes nous dit une autre chose intéressante:
il ne peut y avoir dans l’Univers une température supérieure à un certain seuil de valeur finie.
la température dans l’Univers n’a jamais pu être infinie à aucun moment de son histoire et à aucun endroit de son espace!
Cette nouvelle notion nous amène à un scénario de Pré-BigBang:
Au lieu de dire l’Univers est né d’une explosion initale appelée Big Bang.
On dit que le Big Bang c’est le passage de l’Univers au travers d’une phase de contraction très dense et de réchauffement très intense jusqu’à atteindre la température maximale autorisée par la théorie des cordes, moment auquel l’Univers ne peut plus se contracter d’avantage car il a atteint la température maximale autorisée et du coup il rebondit sur lui-même.
Ce nouveau scénario supprime la notion de Singularité initiale et renforce la notion d’origine en terme de transition et changement.
Le Big Bang n’est plus qu’une transition de phase de l’Univers.
Il n’y a donc plus lieu de se poser la question du Néant et de ce qu’il y avait avant le Big Bang.
La théorie quantique à boucles
Cette théorie consiste à quantifier la gravitation.
Elle aboutit à l’idée que l’espace-temps est granulaire, discret, non-continu.
Il est composé des petits volumes élémentaires d’espace-temps (quantas ou atomes d’espace-temps) de taille non nulle et tel qu’on ne puisse pas avoir de volumes plus petits.
L’espace-temps ne peut pas être structuré en édifices plus petits que ces quantas.
Cette théorie nous amène aussi à un scénario de Pré-BigBang:
La notion de Big Bang comme Singularité initiale disparaît car la singularité correspond à un volume de taille nulle.
On dit que le Big Bang c’est le passage de l’Univers au travers d’une phase de contraction jusqu’à que sa taille corresponde à la taille d’un atome d’espace-temps, moment auquel l’Univers ne peut plus se contracter d’avantage car il a atteint la taille minimale autorisée et du coup il rebondit sur lui-même.
On parle alors d’une cosmogonie cyclique.
La notion d’origine disparaît à nouveau.
Le vide quantique
En mécanique quantique, les éléments fondamentaux de la matière sont formalisées par des quantas (états énergétiques) et représentées par ce qu’on appelle des champs quantiques (ondes).
Faire le vide c’est ce qui reste quand on a retirer toutes les particules (électrons, quarks, photons…).
Il ne reste alors plus que l’espace-temps (océan) dans lequel se trouvent des champs quantiques dans leur état d’énergie minimale (vague).
De là vient la notion de particule virtuelle, la particule n’existe pas, mais il existe par contre l’état de la particule dans son énergie minimale, énergie qui n’est pas assez intense (E=mc2) pour que la particule (électron…) existe et soit réelle.
Ce qu’on appelle le vide quantique, c’est l’espace-temps rempli de particules virtuelles.
Cette entité (espace-temps + champs quantiques) pourrait être la matrice de l’Univers (sa topologie).
Une fluctuation des particules virtuelles (champs quantique) de ce vide quantique aurait pu déclencher une expansion de l’Univers.
On imagine aussi la possibilité de milliards de fluctuations, avec à chaque fois l’apparition d’un nouvel univers => notion de multivers.
C’est comme si le vide ne pouvait pas rester tout à fait homogène, il serait instable.
L’Antimatère
Jusqu’en 1930, le monde des physiciens était exclusivement fait de matière composée de petites « briques élémentaires » appelées particules (électrons, protons, photons).
Le physicien Paul Dirac, pour résoudre une équation de physique, postulat qu’il devait exister une autre particule, identique à l’électron, mais ayant une charge électrique opposée (positive).
Baptisée positron (antiélectron).
Confirmé en 1932 en analysant les rayons cosmiques venant de l’univers.
loi selon laquelle une découverte scientifique ne porte jamais le nom de son auteur.
la paternité du positron revient toujours à Paul Dirac alors que Jean Becquerel avait déjà postulé l’existence d’électrons positifs en 1908 dans un article.
Cette théorie fut ensuite généralisée à toutes les particules que nous connaissons et l’ensemble de ces nouvelles particules constituent ce qu’on appelle l’antimatière.
Cependant, il faudra attendre:
1955 pour découvrir l’antiproton.
1995 pour créer le premier antiatome (antihydrogène) au CERN.
La différence qui caractérise l’antimatière est la charge électrique opposée:
Si on fait passer une particule et son antiparticule dans un champ magnétique, les 2 particules sont déviées dans des directions opposées.
Les antiparticules ont la même masse et le même comportement physique que leur homologue de matière.
Comme les charges sont opposées, matière et antimatière s’attirent mutuellement:
Lorsque matière et antimatière se rencontrent, elles se désintègrent et s’anihilent pour se transformer en énergie pure (E=mc²)
La matière est convertie intégralement en énergie sous forme de photons (rayonnement gamma).
Pour étudier l’antimatière, les physiciens étudient de près ce qu’ils appellent la symétrie CPT(Charge-Parité-Temps):
Lors d’une réaction particulière sur une particule, cette même réaction doit être observée sur son antiparticule mais de manière symétrique.
Tout est inversé : la charge (positif Vs négatif), la parité (droite Vs gauche) et le temps (le temps doit s’écouler à l’envers).
Un monde composé d’antimatière serait l’image de notre monde à travers un miroir.
Le problème, c’est que l’Univers n’est pas aussi symétrique qu’il n’y paraît:
Une théorie pour devoir prendre en compte le Big-bang doit stipuler qu’à l’origine, matière et antimatière ont du être créées en même temps et en quantité égale.
Si matière et antimatière étaient strictement identiques (en dehors de la charge électrique) et avaient été créées en quantités égales, on aboutit sur la non-existence de notre Univers, car matière et antimatière auraient du s’attirer très rapidement juste après le Big-Bang pour s’annihiler totalement.
La réalité semble tout autre : nous sommes bien là et notre univers semble être composé quasi exclusivement de matière!
Les astronomes et les cosmologistes auraient-ils perdu la moitié de l’Univers?
Ce qui peut expliquer cette observation est que matière et antimatière ne sont pas si symétriques que cela : on parle alors de violation de symétrie.
Les symétries entre matière et antimatière sont parfois non respectées et pourraient expliquer pourquoi toute l’antimatière a disparue aujourd’hui au profit de la matière.
Le téléscope spatial Hubble aurait détecté tout récemment la galaxie la plus distante jamais identifiée dans l’Univers.
La lumière observée en provenance de cette galaxie aurait été émise il y a 13,2 milliards d’années, soit seulement 480 millions d’années après le Big Bang (âge total de l’Univers 13,7 milliards d’années).
Mais les astronomes peuvent uniquement observer la lumière émise du fond diffus cosmologique après le mur de Planck (10-43 seconde après le Big Bang).
L’Univers primordial ne peut donc pas être observé au-delà du mur de Planck.
Un des postulats de la Physique nous dit que les lois de la Physique n’ont pas changé au cours du temps.
Au cour de l’évolution de l’Univers ce sont les conditions physiques qui ont changées (température…).
Grâce aux colisions de particules à hautes énergies, le LHC recrée aujourd’hui les conditions physiques du passé.
Comme les lois n’ont pas changé, on voit les phénomènes physiques du passé.
Cependant, les ordres de grandeurs sont incomparables:
Au LHC, on fait des colisions de protons à des énergies 3,5 TeV par proton (3500 GeV).
On fait donc des colisions entre 2 protons avec des énergies mises en jeu de 3,5 TeV + 3,5 TeV = 7 TeV = 7000 GeV
7000 GeV c’est l’énergie cinétique d’un moustique en vol:
énergie qui est cependant répartie sur tous les atomes de celui-ci, donc dans ce cas l’énergie par particule est relativement faible.
Dans le cas du LHC, cette énergie est très concentrée sur un seul proton.
Au moment du mur de Planck, l’énergie d’une particule n’était pas celle d’un moustique en vol comme l’expérimente le LHC, mais celle d’un TGV roulant à 300 km/h.
Donc expérimentalement on voit qu’on est très loin des conditions physiques correspondant au mur de Planck.
En projetant des particules accélérées à grande énergie sur des cibles métalliques, on transforme l’énergie cinétique des particules en couple particule/antiparticule (E=mc² – ici l’énergie se transforme en masse – processus réversible).
Fabriquer des antiparticules est une chose, mais les physiciens veulent aller plus loin pour comprendre l’antimatière et pour cela, il faut fabriquer des antiatomes, c’est-à-dire un antinoyau formé d’antiprotons et d’antineutrons avec des positrons qui tournent autour.
En 1995, le CERN a réussi créer les premiers atomes d’antihydrogènes (le plus simple des antiatomes, composé d’un antiproton et d’un positron qui tourne autour).
mais ces antiatomes étaient trop volatiles, se désintégrant quasi instantanément et ne permettant aucune étude approfondie.
Le problème des physiciens n’est pas de « fabriquer » de l’antimatière mais de la « conserver» pour la manipuler et l’observer.
A cause des grandes énergies mise en jeu, les antiparticules créées vont pratiquement à la vitesse de la lumière et si elles rencontrent une particule de matière, elles s’annihilent immédiatement !
Il faut donc littéralement pouvoir freiner et ralentir l’antimatière pour pouvoir l’étudier:
Ce n’est donc plus accélérateur qu’il faut mais un décélérateur!
Le décélérateur AD du CERN mesure 188 mètres de circonférence.
Il permet de diminuer l’énergie d’antiprotons (de 3000 MeV à 5 MeV).
En d’autres termes, les antiprotons sont ralentit au tiers de la vitesse de la lumière.
le 17 novembre 2010, l’expérience ALPHA a réussi à capturer (piéger) des atomes d’antihydrogène.
Plus une particule est énergétique, plus elle est agitée et donc « chaude ».
L’idée est donc de refroidir l’antimatière le plus possible.
Les antiprotons sont envoyés à travers de pièges électromagnétiques pour les refroidir à environs -269°C (4 kelvins).
On procède de même avec des positrons et on met l’ensemble (antiprotons + positrons) dans une espèce de bouteille électromagnétique jusqu’à ce que le positron (positif) se mette à tourner autour de l’antiproton (négatif) pour former un antihydrogène.
l’idée est d’empêcher que ces antihiydrogènes entrent trop en contact avec la matière et s’anihile.
L’expérience ALPHA a montré qu’il est possible de conserver de cette manière des atomes d’antihydrogène pendant un dixième de seconde (un laps de temps suffisamment long pour pouvoir les étudier).
Sur les milliers d’antiatomes produits par l’expérience ALPHA, 38, selon le dernier résultat, ont été capturés suffisamment longtemps pour pouvoir être étudiés.
En observant le comportement de ces antiatomes ralentis, on espère pouvoir mettre en évidence certaines des violations de symétrie.
La Physique dispose donc d’un arsenal théorique très puissant, mais qui ne nous dit pas encore comment sélectionner la bonne théorie qui expliquerait l’origine de l’Univers parmi toutes les théories candidates.
Car pour pouvoir sélectionner le bonne théorie il faut pouvoir faire des expériences!
En partie grâce aux fidèles de PodcastScience, C’est Pas Faux n° 8 (le dernier épisode du podcast vidéo d’Anh Tuan) a atteint la barre des 1000 téléchargements une semaine après sa release (1081 exactement)
Et, cerise sur le gâteau, la fameuse Quote de Mathieu
When all men think alike, no one thinks very much – Walter Lippmann Traduction libre: quand tous les hommes pensent pareil, plus personne ne pense beaucoup (note du transcripteur… Les femmes peut-être? 😉 )
Prochain enregistrement le vendredi 4 février (pas d’enregistrement le jeudi en raison du nouvel-an chinois 🙂 . D’ici là, une excellente semaine à toutes et à tous!
On en parle souvent lorsqu’il s’agit d’identifier des lignées ou d’établir des filiations. On en a parlé il y a quelques mois lors d’une première analyse de notre degré de parenté avec l’hominidé de Denisova (un proche cousin, mais tout petit, qui a vécu en Sibérie il y a entre 1 million d’années et 40’000 ans, parmi les Néandertal et nous autres, les Homo Sapiens)
Chaque plante et chaque animal sur cette planète compte, dans chacune de ses cellules un petit passager clandestin, un minuscule organisme (ce qu’on appelle organite ou organelle), qui contient son propre ADN: une mitochondrie.
Historiquement, les mitochondries sont sans doute un vestige de bactérie parasite, mais l’évolution a bien fait les choses: chacun y trouve son compte!
D’un côté, la mitochondrie se complaît dans l’environnement pauvre en oxygène que lui fournit la cellule hôte. De l’autre, elle produit l’ATP, qui est en quelque sorte la monnaie d’échange de l’énergie dans l’organisme. Elle joue un rôle physiologique primordial: sans mitochondrie, pas de vie animale ou végétale telle que nous la connaissons.
L’ADN mitochondrial (ou ADNmt) est super intéressant pour les analyses génétiques car:
chez l’humain, il ne compte que 37 gènes (alors que l’ADN humain en compte quelque 25’000). Il est en général mieux conservé et évidemment, beaucoup plus vite décodé
contrairement à l’ADN humain qui est un assemblage de la moitié des gènes de la mère et de la moitié des gènes du père (donc du quart de chaque grand-parent ou encore du huitième de chaque arrière-grand-parent, etc.) rendant super difficile l’établissement de la filiation au-delà de quelques générations, l’ADN mitochondrial n’est transmis que par la mère, qui le tient elle-même de sa mère qui le tient de la sienne, etc. Cela simplifie donc énormément l’étude des filiations mère-enfant et la datation des lignées. L’ADN mitochondrial des mâles provient de leur mère et n’est pas transmis à la génération suivante.
Toutes les lignées matrilinéaires devraient donc avoir le même ADN mitochondrial. Mais non… Car à intervalles statistiquement réguliers, il y a des erreurs de copie dans le processus de réplication… Les fameuses “mutations génétiques” à l’origine de la diversité des espèces. C’est en mesurant les différences entre deux génomes mitochondriaux qu’on peut établir si la lignée est la même, à quand elle remonte ou dans le cas deux lignées différentes, à quelle époque elles ont divergé (et donc à quand remonte leur dernier ancêtre commun). Darwin se demandait si les chiens et les loups étaient apparentés: l’ADN mitochondrial l’a démontré. L’ADNmt des loups et des chiens est encore incroyablement proche, on pourrait presque dire que les chiens sont des loups…
En génétique humaine, certaines caractéristiques de l’ADN mitochondrial en font un matériel de choix pour essayer de comprendre l’origine des populations humaines:
C’est un ADN abondant dans les cellules, puisque les mitochondries se retrouvent à des milliers d’exemplaires par cellule, alors que l’ADN nucléaire (notre ADN normal, quoi…) n’est présent, lui, qu’en 2 exemplaires non identiques par cellule (le fameux double-brin).
La vitesse de mutation est plus importante que dans le génome nucléaire ce qui permet d’étudier des évolutions récentes, comme c’est le cas pour la récente origine de Homo sapiens.
Ainsi des études récentes ont montré que toutes les mitochondries humaines dans le monde ont une origine commune datée de environ -150 000 ans, en Afrique. C’est la théorie de l’Ève mitochondriale.
Plus récemment, les restes du Tsar Nicolas II et de sa famille ont été identifiés en comparant l’ADNmt des restes trouvés à Iekaterinbourg avec celui du Prince Philip (dont la grand-mère maternelle était la sœur de la tsarine Alexandra). L’identification est sûre à 99%.
Voilà… J’avais en fait préparé ce dossier pour le numéro 0 de Podcast Science, enregistré avec Mathieu en mai 2010. Depuis, il y a du nouveau sur l’homme de Denisova: son génome nucléaire a également été séquencé, et il n’y a plus aucun doute aujourd’hui, c’est bien un troisième représentant du genre homo, aux côtés de Neandertal et de nous autres, Sapiens. Tout comme il y a eu hybridation entre Sapiens et Neandertal (tous les homo sapiens d’origine européenne ou asiatiques portent en eux quelque 4% d’ADN Neandertal, ce qui n’est pas vrai pour les Africains), il y a eu hybridation entre Sapiens et Denisova (les populations de Mélanésie portent en elles des traces d’ADN Denisova).
Dans le cas de l’Homme de Denisova, donc, l’analyse de l’ADN nucléaire a confirmé celle de l’analyse de l’ADN mitochondrial.
Mais ce n’est pas toujours le cas… Pour rebondir sur le sujet de Mathieu. A votre avis, le mammouth est plus proche de l’éléphant d’Afrique ou de l’éléphant d’Asie? Et bien dans ce cas, c’est paradoxal… l’ADN mitochondrial dit Asie alors que l’ADN nucléaire dit Afrique! Comme quoi, avec les mammifères en particulier, il faut toujours être très prudents quand on généralise à partir de l’ADN mitochondrial. Dans la mesure où il n’est transmis que par la lignée maternelle et que chez la plupart des espèces les femelles restent en groupe alors que les mâles partent à l’aventure et échangent joyeusement leur ADN avec n’importe qui, tout est possible 😉
