L’eau chaude gèle avant l’eau froide : l’effet Mpemba

Alors que j’étais en train de lire un livre au coin du feu dans le canapé (Impasciences de J-M. Lévy-Leblond que je vous conseille en passant), j’apprends que si on place un verre d’eau à 50 C et un verre d’eau à 20 C dans le congélateur, le verre d’eau initialement à 50 C gèle avant celui à 20 C ! Je questionne alors ma voisine de canapé, ma belle-sœur (qui est autant physicienne que je suis trapéziste volant), à ce sujet qui me répond sans ciller que évidemment, l’eau chaude gèle avant, et que tout le monde sait cela. J’étais abasourdi de cette révélation alors que je n’en avais jamais entendu parler, moi, ayant fait une bonne partie de mon doctorat en thermodynamique ! Je m’indigne de cet effet en contradiction totale avec mon intuition ainsi qu’avec mon raisonnement scientifique. Je vais alors consulter sur Wikipédia l’effet Mpemba, qui stipule que l’eau chaude peut geler avant l’eau froide. Ce serait donc vrai… C’est même connu depuis l’Antiquité et redécouvert plus « scientifiquement » en 1963 par un lycéen nommé E.B. Mpemba en Tanzanie.

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Refroidissement et solidification de 30mL d’eau déminéralisée dans un bécher en verre non couvert et non agité

Expérience à la maison

Je m’empare alors de trois verres que je remplis avec 60 g d’eau à 21 C, 31 C, et 53 C (mesurés avec un thermomètre infrarouge). Je les mets au congélateur sur le même étage et je mesure les températures des 3 verres toutes les 5 minutes. Verdict : pas d’effet Mpemba, c’est clairement le verre initialement à 21 C qui gèle, puis celui à 31 C, puis celui à 53 C, les 3 courbes ne se sont pas croisées. Mystère, ça n’a pas marché avec moi…

glaciation

Explications scientifiques

Je cherche alors un peu partout une explication scientifique de l’effet Mpemba et là abomination : personne ne sait vraiment pourquoi et en plus ça n’arrive pas à tous les coups, ça a même l’air difficilement reproductible selon les expériences mais ça a néanmoins été abondamment observé. Ce phénomène reste donc inexpliqué aujourd’hui ! Les scientifiques s’étant penchés sur la question sont tous d’accord pour dire que c’est sans doute un agglomérat de phénomènes interagissant les uns avec les autres qui se produisent dans cette expérience simple beaucoup plus compliquée qu’il n’y parait. Sont en cause :

  • Les conditions expérimentales : Dans un congélateur domestique, la température n’est ni constante ni uniforme à l’intérieur. De plus, la composition de l’eau varie et la température initiale du récipient ainsi que sa nature ont leur importance. La température du congélateur est aussi un facteur important à prendre en compte.
  • L’évaporation de l’eau chaude et donc la perte de masse mais non satisfaisant comme explication car même sur des récipients fermés hermétiquement on peut observer le phénomène et après pesage de la masse perdue, ça ne justifie pas cet effet.
  • Les gaz dissous dans l’eau chaude changent ses propriétés comme la conductivité thermique ou la capacité calorifique (chaleur à extraire d’un kilogramme d’eau pour la refroidir de un degré). Cependant, même en préchauffant l’eau à l’avance de manière à obtenir la même composition de gaz dissous, l’effet Mpembra perdure.
  • La surfusion de l’eau: l’eau peut geler bien en dessous des 0 C à pression atmosphérique dans certaines conditions (jusqu’ à -39 C !). De plus, la présence de gaz dissous renforce cet effet. Le passage entre la surfusion et l’état solide a lieu si des poussières tombent dans l’eau ou si des cristaux de glace se forment : processus très aléatoire difficilement reproductible.

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Différence de surfusion (et donc de temps pour geler) entre différents échantillons d’eau contenus dans des bouteilles ayant la même température initiale. La courbe bleue foncée en bas représente la température du congélateur.

  • Les courants de convection plus prononcés dans l’eau chaude accélèrent les échanges de chaleur et donc le refroidissement. La profondeur du récipient ainsi que le gradient de température sont des éléments significatifs à prendre en compte également dans les phénomènes convectifs.

Interprétations

Dans tous les cas, la raison scientifique dit que de l’eau à 50 C passe forcément par de l’eau à 20 C avant de geler car le refroidissement est un processus continu donc on retombe sur la même condition qu’avec le verre à 20 C à un temps postérieur. Il y a donc 2 solutions plausibles à cette observation :

  • Le processus de refroidissement de l’eau est très complexe comme l’eau est composée de nombreux éléments et que de nombreux phénomènes physiques rentrent en jeu (convection et surfusion). Le phénomène est donc non reproductible facilement, ce pour quoi on observe parfois que l’eau chaude gèle avant l’eau froide. Je n’ai malheureusement pas de trouver des statistiques sérieuses à ce sujet.
  • L’eau subit une transformation lorsqu’elle est chauffée, ce pour quoi l’eau chaude refroidie rapidement à 20 C n’a pas les  mêmes propriétés que l’eau à 20 C du robinet. Là encore, difficile de trouver des explications.

Quand on regarde de plus près les nombreuses expériences faites pour trouver la cause majeure expliquant l’effet Mpemba, on découvre que la convection a clairement un rôle important : lorsque que l’eau est mélangée constamment pendant le refroidissement, l’influence des différences de convection est très réduite et on observe que l’effet Mpemba est grandement diminuée           (quasiment plus de différence entre de l’eau initialement à 20 C ou 35 C) mais néanmoins possible donc ce n’est pas la seule cause.

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Refroidissement et solidification de 30mL d’eau déminéralisée dans un bécher en verre non couvert et agité continuellement

Vient ensuite la surfusion de l’eau qui peut faire pencher la balance : une surfusion entre 0 C et -6 C (assez courant lors des expériences) entraine un retard de gèle d’environ 10 minutes par rapport à de l’eau qui gèle directement à 0 C, ce qui fait que les expériences sont peu reproductibles et que l’effet Mpemba n’est pas toujours observable. Même avec deux échantillons d’eau provenant de la même bouteille, on observe que la surfusion est différente. Cependant, pourquoi de l’eau initialement à 35 C aurait une surfusion plus prononcée qu’une eau initialement à 20 C ?? Je n’ai pas non plus réussi a trouver une bonne explication à cela.

Si jamais vous avez plus d’info sur ce sujet, n’hésitez pas à le signaler en commentaires.

Sources

Les vagues scélérates

Les vagues, tout le monde connait ! Les raz-de-marée (tsunamis en japonais), comment les ignorer depuis celui de 2004 dans l’océan indien (220 000 morts) et celui de 2011 au large du Japon qui frappa la centrale de Fukushima ? Mais les vagues scélérates ? Les connaissez-vous ? C’est ce que je vais essayer de vous détailler ici.

Définition

Les vagues scélérates sont de gigantesques vagues solitaires formées au milieu des océans sans raison apparente. Une vague scélérate est définie comme une vague étant au moins 2 fois plus haute (entre sa crête et son creux) que la hauteur significative des vagues alentours : c’est-à-dire 2 fois plus haute que la moyenne du tiers des vagues les plus hautes.   vague Sa particularité est donc qu’elle est isolée et souvent abrupte, contrairement à un raz-de-marée provoqué par des effondrements sous-marins ou des séismes entrainant une onde de choc de très grande amplitude et se matérialisant par une vague seulement lorsque le plancher océanique remonte près des côtes.

Donc si vous êtes en pleine mer par force 9 (ce que je ne vous souhaite pas), la hauteur significative étant d’environ 15 mètres, vous pouvez qualifier une vague de « scélérate » si cette dernière dépasse les 30 mètres uniquement !

Un peu d’histoire

Pendant longtemps, les vagues scélérates ont été considérées comme des hallucinations de marins ayant abusé du rhum. Les scélérates faisaient parties du folklore maritime mais avec la photographie, les radars, les satellites et autres technologies, ce phénomène est maintenant avéré: les vagues scélérates existent et ne sont pas si rares que ça !

Le premier enregistrement « sérieux » d’une vague scélérate date du 1er Janvier 1995 aux abords de la plateforme pétrolière Draupner au large de la Norvège : une vague de 26,8 mètres est enregistrée au milieu d’une mer ayant une hauteur significative de 10,8 mètres (donc 2,5 fois plus haute). Il avait été recensé auparavant de telles vagues scélérates, comme à bord du navire USS Ramapo en 1933 qui avait mesuré une vague de 33 mètres, mais jamais les scientifiques n’avaient eu de données réellement mesurées pour analyser ce phénomène singulier.

 File_Drauper_freak_wavePremier enregistrement d’une vague scélérate le 1er Janvier 1995 aux abords d’une plateforme pétrolière au large de la Norvège

 Occurrence des vagues scélérates

En 2004, trois semaines d’images radars provenant de satellites de l’Agence Spatiale Européenne ont été minutieusement analysées et pas moins de 10 vagues scélérates de 25 mètres chacune ont été identifiées (http://www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA462573). Ce phénomène n’est donc pas si rare et il n’est donc pas impossible qu’un navire en mer en croise une, ce qui est cohérent avec les récits de plusieurs marins ayant survécu à de telles vagues. Par exemple, le capitaine du paquebot Queen Elisabeth II a rencontré en 1995 une vague scélérate de 30 mètres de haut en Atlantique nord et a déclaré que cette vaque était « Un gigantesque mur d’eau… C’était comme si nous nous précipitions sur les falaises blanches de Douvres« .

L’Agence Spatiale Européenne déclarait d’ailleurs en 2004 que sur les 200 supertankers et porte-conteneurs de plus de 200 mètres de longs ayant coulés à cause de raisons climatiques lors des 20 dernières années, la plupart ont coulé suite à une vague scélérate (lien). Cependant, il n’existe à ce jour aucune statistique précise de l’apparition de ces vagues dans les océans. Même si Michel Olagnon, ingénieur à l’Ifremer, a déclaré dans une interview au journal le Temps « qu’en un endroit donné, on estime qu’il ne s’en forme qu’une tous les 10 000 ans».

Modélisation des vagues régulières

En termes de modélisation physique, la tâche n’est pas évidente étant donné que nous possédons très peu de mesures de ces vagues et donc peu de données pour valider les modèles.

Il existe de très nombreux modèles pour décrire les vagues dues au vent sur l’eau dans une eau plus ou moins profonde, voir graphique ci-dessous.

533px-Water_wave_theories.svg Différents domaines de validité des modèles expliquant les vagues régulières en profondeur constante (h= hauteur d’eau, tau=période temporelle de la vague, H = hauteur de la vague, g=gravité)

Ces modèles sont tous des approximations grossières des équations de la mécanique des fluides ignorant la viscosité, la compressibilité et les tourbillons. Même après toutes ces approximations, le modèle demeure non-linéaire et il n’existe pas de solution simple à ce problème. L’idée consiste alors à approximer des termes selon la profondeur plus ou moins importante de l’eau. Par exemple des vagues de 30 mètres de haut (H=30) ayant une période de 15 secondes (tau=15) dans 400 mètres d’eau (h=400) peuvent être modélisées par un modèle de Strokes au 3ème ordre (H/(g*tau^2) = 0.013 et h/(g*tau^2) = 0.18), ce qui revient à une équation aux dérivées partielles du 2ème ordre que l’on peut résoudre (équation de Laplace) mais attention, tous ces modèles permettent de rendre compte des vagues régulières uniquement. De plus, si la cambrure de la vague (le rapport entre la hauteur de la vague H et sa longueur d’onde lambda) dépasse 0,14, alors aucun modèle n’explique la formation de telles vagues car elles sont censées déferler à ce stade. Par exemple une vague de 30 mètres n’est possible que si elle possède une longueur de 214 mètres minimum.

Modèle pour vagues scélérates

Les vagues scélérates peuvent être modélisées selon l’équation d’un soliton. Un soliton est une onde se propageant sans se déformer dans un milieu non-linéaire dispersif : c’est-à-dire que la vitesse de l’onde dépend de sa fréquence,  comme les vagues dans l’eau ou la lumière dans l’air.

Le soliton apparait comme solution de plusieurs  équations aux dérivées partielles non-linéaires comme l’équation de Schrödinger en physique quantique qui explique la propagation d’un signal lumineux dans une fibre optique. Dans le cas des fluides non compressibles et non visqueux, le soliton est également une solution de l’équation de Korteweg-de Vries qui permet de rendre compte de la propagation des vagues dans une eau peu profonde. Mais là encore, cela ne permet pas d’expliquer notre vague scélérate en eau profonde en pleine mer.

En 1983, Howell Peregrine pense à modéliser de telles vagues à partir d’une équation type Schrödinger non-linéaire étant donné que le soliton est une solution possible. On parle alors de « soliton de Peregrine ». Le problème, toujours le même, est que pour valider ce modèle, nous avons trop peu de mesures de vagues scélérates et que c’est quasi impossible à reproduire en laboratoire. Donc ce modèle est sujet à caution.

Une solution possible arrive en 2010 quand une équipe réussit à reproduire en laboratoire un soliton de Peregrine mais dans une fibre optique avec une impulsion de lumière extrêmement brève (voir Article dans Nature). Et oui, comme la propagation est non-linéaire, il est possible que plusieurs petites ondes fassent une onde beaucoup plus grande que la somme des plus petites et si ça marche avec de la lumière, ça devrait marcher dans l’eau également ! L’avantage de la lumière est que l’on maitrise très bien tous les paramètres et que c’est « assez facile » à faire en labo. En faisant un changement d’échelle entre les paramètres de la fibre optique et la mer on retombe alors sur des données cohérentes qui pourraient donc expliquer les vagues scélérates. Les auteurs de cette expérience pensent ainsi que les vagues scélérates seraient dues à la sommation de plus petites vagues de différentes fréquences donnant naissance à une vague gigantesque comme dans leur fibre optique.

Autres origines possibles des vagues scélérates

Aujourd’hui, aucune théorie ne fait vraiment consensus au sein de la communauté scientifique pour expliquer l’origine des vagues scélérates. Il est simplement avéré que très souvent (mais pas tout le temps), ces vagues apparaissent dans des endroits où les vents soufflent de manière opposée à d’importants courants marins comme au large de l’Afrique du Sud. Cette opposition entre vent et courant provoquerait une contraction de la longueur d’onde de la vague et donc son élongation en hauteur. Il existe de nombreuses autres explications comme le soliton de Peregrine mais ces recherches sont toujours actives et il y a encore du travail pour comprendre la Nature…

P.S. Merci à Eric de m’avoir suggéré ce sujet lors d’une pause-café au CERN.

Les colorants

Noémie nous fait ici un petit topo sur les colorants alimentaires (cliquez sur les dessins pour agrandir):

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Homéopatik…

Un billet rédigé par Noémie, en dessins.

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Gödel: Le génie fou de la logique

Je viens de finir une biographie-fiction de Kurt Gödel, « La déesse des petites victoires » de Yannic Grannec, et je me suis dit que ce génie des mathématiques devenu fou ferait un bon sujet de billet.

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Kurt Gödel est un logicien autrichien (il étudie la logique mathématique) qui a révolutionné la vision des mathématiques du 20ième siècle mais le grand public le connait assez peu, principalement à cause de son caractère taiseux et du fait qu’il publiait rarement tout en essayant d’être le plus loin possible des projecteurs.

L’incomplétude des mathématiques

En 1931, à seulement 25 ans, il surprend les mathématiciens de son époque en démontrant que n’importe quelle arithmétique (la science des nombres) est nécessairement incomplète (ce qu’on appelle couramment le théorème d’incomplétude de Gödel). L’incomplétude d’une théorie signifie que certains énoncés de cette théorie ne peuvent en aucun cas être démontrés en restant au sein de ladite théorie. A cette époque, les plus grands mathématiciens étaient persuadés du contraire (et plus particulièrement David Hilbert), d’où l’étonnement général et la remise en question des mathématiques.

En gros, Gödel a prouvé de manière formelle qu’il est absolument impossible de fournir une théorie unique de l’ensemble des mathématiques !

Princeton

Suite à l’arrivée d’Hitler au Pouvoir et à l’Anschluss, il part aux U.S.A en 1933 au célébrissime Institut d’Etude Avancée de Princeton (IAS).  Dans ce temple de l’excellence scientifique, Gödel se lie d’amitié avec Albert Einstein, également pensionnaire de l’IAS. Einstein dira d’ailleurs à la fin de sa vie « Je ne vais à mon bureau que pour avoir le privilège de rentrer à pied avec Kurt Gödel ». Le célèbre couple Einstein-Gödel défiait la chronique entre le physicien extraverti toujours débraillé avec ses cheveux en bataille et le mathématicien introverti toujours tiré à quatre épingles surmonté de ses fameuses lunettes rondes. A la fin des années 40, Gödel étudiera d’ailleurs la relativité de manière « logique » et trouvera une solution paradoxale permettant les voyages dans le temps (les univers de Gödel).

einstein-et-godelLes deux contraires : Einstein et Gödel

Gödel et Dieu

Gödel  passera de nombreuses années à la fin de sa vie à tenter de développer une  logique formelle de la philosophie. Il ira jusqu’à développer une preuve ontologique de l’existence de Dieu inspiré d’Anselme de Cantorbéry et de Leibniz. De peur d’être critiqué, il ne publia jamais cette preuve qui émergea des archives 9 ans après sa mort.

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Preuve ontologique de l’existence de Dieu selon Gödel

La folie de Gödel

Gödel était hypochondriaque et avait des tendances paranoïaques. Sa femme Adèle l’a soutenue et aider toute sa vie durant pour le maintenir à flot. A la fin de sa vie, il était considéré comme « fou » par la plupart des gens car sa psychose paranoïaque augmentait et il ne se nourrissait plus de peur d’être empoisonné.  Il est mort à l’âge de 72 ans et ne pesait plus que 30 kilo comme il refusait de se nourrir.

Il existe depuis 1992 un « prix Gödel » qui récompense des travaux en informatique théorique.

Le démon de Maxwell

 Mes deux domaines scientifiques préférés sont sans doute la thermodynamique et la théorie de l’information. L’histoire a su allier ces 2 grands domaines avec élégance pour comprendre le paradoxe du démon de Maxwell.

En 1871, James Clerk Maxwell (celui de la théorie électromagnétique) tente de contredire le second principe de la thermodynamique en inventant une expérience de pensée dans laquelle il invoque un « démon » mais ce n’est véritablement qu’en 1949 que Léon Brillouin, en utilisant la théorie de l’information, va permettre de lever le voile sur le paradoxe de cette expérience de pensée et redonner au second principe de la thermodynamique son caractère universel.

Le second principe de la thermodynamique

C’est un des principes de la physique les plus intéressants dans le sens où il cache de nombreuses implications. Il est au premier abord difficile à comprendre à cause de la notion d’entropie qui n’est pas facile à appréhender mais on l’entend souvent de la manière vulgarisée suivante :

« Le désordre d’un système isolé ne peut qu’augmenter dans le temps »

 L’entropie d’un système est en quelque sorte son désordre. Si tous les atomes d’un gaz bougent lentement, il y a peu de chocs entre eux et l’entropie sera alors faible (et le gaz sera froid). Au contraire, si tous les atomes d’un gaz bougent rapidement, les chocs entre eux sont nombreux et l’entropie est grande (et le gaz sera chaud). On considère ici des systèmes isolés, c’est-à-dire qui n’échangent ni matière ni énergie avec l’extérieur (donc pas de chaleur non plus).

 Le second principe stipule donc que toutes les transformations que peut subir un système isolé génèrent de l’entropie (du désordre) et que cette grandeur ne peut donc qu’augmenter dans le temps. Ceci veut dire que pour créer de l’ordre (faire baisser l’entropie), un agent extérieur doit forcément intervenir. Notre Univers voit donc son entropie totale augmenter vers l’infinie en permanence vue que rien n’est externe à l’Univers par définition.

 Une des conséquences importantes de ce principe est que toutes les transformations que peut subir un système isolé ne peuvent se dérouler que dans un sens précis en suivant « la flèche du temps ». Les transformations sont ainsi qualifiées d’irréversibles dans le temps car génératrices d’entropie. Quelques exemples de transformations irréversibles évidentes dans la vie quotidienne :

  • Lorsque l’on mélange du sirop dans un verre d’eau, jamais le sirop et l’eau ne vont complètement se re-séparer spontanément dans le verre.
  • Lorsque l’on mélange de l’eau chaude et de l’eau froide dans un verre, jamais l’eau chaude et l’eau froide ne vont complètement se re-séparer spontanément dans le verre.
  • Si un verre tombe par terre et se casse, jamais il ne se reconstituera par lui-même.

L’expérience de Maxwell

L’expérience pensée par Maxwell pour contredire le second principe de la thermodynamique est relativement simple à comprendre mais extrêmement difficile à mettre en œuvre, d’où la création de ce « démon ».

 

Imaginons 2 compartiments contigus dans lesquels on a mis d’un coté un gaz froid et de l’autre un gaz chaud. Il existe une porte entre ces 2 compartiments et un démon peut l’ouvrir et la fermer à sa guise. Le démon, malicieux, ouvre la porte de manière à ce que les atomes rapides passent dans le compartiment chaud et que les atomes lents passent dans le compartiment froid. Ainsi, plus le temps s’écoule et plus le gaz chaud se réchauffe et plus le gaz froid se refroidit.

Cette observation est en contradiction avec le second principe de la thermodynamique car les 2 compartiments voient leur entropie décroître : en effet, il y a plus d’ordre qu’au départ comme on a séparé les atomes rapides de ceux plus lents. La thermodynamique nous dit que dans le temps, les températures des 2 compartiments devraient converger vers la même valeur alors qu’ici ce n’est pas le cas.

La levée du paradoxe

Pour la thermodynamique, l’entropie a été redéfinie en 1877 par Boltzmann de la manière suivante :

La formule de Boltzmann sur sa tombe à Vienne

 Ici, « S » représente l’entropie, « k » est une constante (de Boltzmann) et « W » correspond au nombre d’états macroscopiques que peut prendre le système.

Plus de 70 ans plus tard, en 1948, Claude Shannon définit à son tour un genre d’entropie qui correspond à la quantité d’information minimum pour transmettre un message. Cette entropie est définie par :

I= K log P

avec « I » la quantité d’information, « K » une constante et « P » l’ensemble des états possibles du système considéré.

 

Claude Shannon (Alfred Eisenstaedt/Time & Life Pictures/Getty Image)

 A priori ces deux concepts n’ont de commun que leur expression mathématique mais Brillouin démontre qu’il s’agit bien de la même entropie. Je vous conseille de lire cette analyse Bibnum pour plus de détails où l’on peut lire ceci :

 Pour obtenir de l’information sur un système, il faut le mesurer, cette mesure augmente l’entropie de l’univers d’une quantité exactement égale à la quantité d’information obtenue. De cette manière Brillouin établit une échelle absolue de la mesure de l’information et à cette fin créé une nouvelle grandeur : La néguentropie, ou entropie négative.

 Il est évident que dans l’expérience de Maxwell, notre démon a besoin de connaître la vitesse des atomes pour les laisser passer ou pas par la porte. Brillouin montre alors que cette « mesure » faite par le démon va créer de la néguentropie de manière à compenser exactement la baisse d’entropie du système : le deuxième principe reste donc valide car l’entropie du système « enceintes+gaz+porte+démon » reste constante !!

 Applications de l’entropie de Shannon

Le calcul de l’entropie de Shannon permet de coder un message sous forme numérique avec le moins de bits possible sans perdre de l’information comme dans les algorithmes de compression sans perte (voir ce billet sur la compression de données).

 Elle est aussi utilisée dans le domaine de l’imagerie médicale pour comparer des images ainsi qu’en génétique pour identifier les parties des chromosomes contenant plus d’informations.

 

Histoire des grands scientifiques français

 

Si vous êtes amateur d’histoire des sciences, alors vous devez lire l’Histoire des grands scientifiques français de Eric Sartori. Le principe de ce livre est de retracer des biographies d’une trentaine de pages sur les scientifiques qui ont fait briller la science française depuis le 16ème siècle. Certes, le livre peut paraître chauvin au premier abord mais l’auteur se justifie relativement bien dans son introduction au sujet de ce choix. On assiste à quelques hauts et forts « cocoricos » et à l’encensement de Bonaparte mais il faut bien avouer que Napoléon a donné à la France un rayonnement scientifique exceptionnel en son temps, avec entre autre la création de l’école polytechnique sous l’impulsion de Gaspard Monge et d’autres en 1794.

On peut trouver dans ce recueil des mathématiciens (Cauchy, Poincaré…), des médecins (Paré, Bernard…), des physiciens (Pascal, Ampère,…), des chimistes (Lavoisier, Curie…), des naturalistes (Buffon…), des biologistes (Pasteur…) mais nombre d’entres eux sont bien évidemment un mélange de tout cela comme Pierre et Marie Curie pour ne citer qu’eux.

De nombreuses biographies se coupent et se recoupent, surtout autour de Laplace dans la grande époque napoléonienne et cela permet au lecteur de se faire une vision particulièrement large de cette époque stimulante pour la science française. Il est à noter que Laplace est particulièrement encensé par l’auteur mais cela provient du fait que Laplace est peu connu du « français moyen » alors qu’il a été un des plus grands scientifiques français au même titre qu’un Pascal ou qu’un Lavoisier. L’auteur commence d’ailleurs la biographie de Laplace ainsi : « Entre 1750 et 1850, la France connut une floraison de talents et de travaux scientifiques, comme aucune autre nation n’en a connu ou n’en connaitra jusqu’à nos jours. Laplace fut le grand patron scientifique de cette période».

Au congrès de Solvay de 1911, on trouve un quart de français (6 scientifiques sur 24) avec de gauche à droite : Marcel Brillouin, Maurice De Broglie, Jean Perrin, Marie Curie, Henri Poincaré, et Paul Langevin.

 Cet ensemble de biographies relativement courtes donne au lecteur une bonne idée de ce que pouvait être la science et la vie des scientifiques dans la société aux différentes époques avec ses avantages et ses inconvénients. Les aspects scientifiques comme les aspects politiques et sociaux sont abordés de manière agréable et cohérente. On découvre aussi des scientifiques français peu connus et qui sont pourtant à la source de révolutions scientifiques majeures comme Alexis Carrel qui est tout bonnement l’inventeur de la chirurgie vasculaire (le premier à avoir recousu une artère) et l’homme qui a rendu les greffes possibles (il a tout de même eu le prix Nobel mais peu de français le connaissent aujourd’hui).

 

Semaine speciale boson de Higgs sur Strip Science

Je vous invite a decouvrir cette semaine une Semaine Speciale Boson de Higgs sur Strip Science qui va republier des billets du C@fé des Sciences assortis d’illustrations originales de la part de Strip Science.

Le Boson de Higgs découvert au CERN

Toute la communauté de physique des particules est en effervescence car on ne comprend toujours pas précisément le monde qui nous entoure et la Science vient de faire un petit pas cette année !

L’année dernière, le CERN annonçait qu’il ne pouvait se prononcer quant à la détection ou non du boson de Higgs, une particule prédite par la théorie mais toujours pas détectée, car les données n’étaient pas encore suffisantes (voir mon billet de l’année dernière). Ce 4 Juillet 2012, des milliards de milliards de collisions plus tard , le CERN vient d’annoncer qu’une nouvelle particule de 125 GeV/c² a été détectée avec un intervalle de confiance de plus de 99.99% (un écart type de 5 sigmas pour les mathématiciens) et il semblerait que ce soit le boson de Higgs, mais reste à prouver que c’est bien lui…

 Un boson c’est quoi au fait ?

Les physiciens aiment bien faire des catégories et ranger leurs particules dans des boites plus ou moins grandes. Les particules peuvent par exemple être séparées en 2 grands ensembles selon leur comportement:

  • Les Fermions : obéissent à la statistique de Fermi-Dirac
  • Les Bosons : obéissent à la statistique de Bose-Einstein

Ces 2 catégories de particules se distinguent par ce que les physiciens appellent leur spin. Le spin est un peu comme la capacité de la particule à tourner sur elle-même. A chaque particule, on attribue un nombre de spin qui permet de caractériser cette rotation. Les bosons ont un spin entier comme le photon par exemple (spin=1). Au contraire, les fermions sont des particules ayant un spin demi-entier (1/2, 3/2, 5/2…) comme l’électron (spin=1/2).

Les Fermions

Les fermions constituent l’essentiel de la matière qui nous entoure (les quarks et les électrons) car ces derniers ne peuvent pas se trouver dans le même état d’énergie ensemble (c’est ce qu’on appelle le principe d’exclusion de Pauli). Ceci a pour conséquence qu’un assemblage de fermions forme une structure de matière rigide comme dans les atomes et les molécules qui constituent notre environnement quotidien.

Les Bosons

Au contraire, les bosons peuvent tous être dans le même état d’énergie et on ne peut pas forcément distinguer les différentes particules les unes des autres. Les bosons sont les vecteurs des forces entre les fermions (la force électromagnétique, la force forte et faible). Pareil pour notre désormais célèbre boson de Higgs qui donne une masse aux autres particules (aux autres fermions et aussi aux autres bosons).

Ce comportement bosonique (toutes les particules dans le même état) est directement observable à notre échelle comme dans un laser où tous les photons sont dans le même état et induisent une lumière cohérente (couleur unique en ligne bien droite). C’est également parce que l’hélium-4 est un boson que l’on peut observer la superfluidité de l’hélium à basse température. La supraconductivité aussi provient du fait que les paires d’électrons se comportent comme un seul boson (spin=1/2+1/2=1) à basse température et peuvent ainsi se déplacer sans perte dans un conducteur. Voir ce billet pour ces comportements atypiques de la matière.

Et si ce n’était pas notre bon vieux Higgs ?

Le dernier accélérateur de particules du CERN, le LHC, doit observer un certain taux de production de ce fameux boson de Higgs selon plusieurs modes de désintégrations possibles. Premièrement, le Higgs peut être créé lors d’une collision proton-proton selon différents processus, voir les petits dessins plus bas, appelés diagrammes de Feynman, où notre Higgs est représenté par la lettre « H » :

 

Ensuite, le Higgs peut se désintégrer selon plusieurs modes et c’est ce que les détecteurs de particules regardent. En particulier, les détecteurs regardent les « canaux » suivants :

  • Un Higgs se désintègre en 2 photons
  • Un Higgs se désintègre en 2 bosons Z
  • Un Higgs se désintègre en 2 bosons W
  • Un Higgs se désintègre en 2 tau
  • Un Higgs se désintègre en 2 quarks/antiquark b

Ensuite ces particules secondaires se désintègrent à leur tour selon différents modes possibles également et au total, c’est environ 85 modes de désintégrations qui sont analysés dans les détecteurs.

 

Deux gluons fusionnent pour donner un Higgs qui se désintègre en 2 bosons W

Ces différents processus de désintégrations sont expliqués par le modèle standard, la théorie actuelle qui marche pour ce que l’on a observé jusqu’à présent mais si le LHC observe plus ou moins de Higgs que prévu selon ces différents scénarios, c’est le modèle sur lequel se base toute la physique depuis les années 60 qui serait remis en question ! A partir d’ici, tout est permis et les physiciens ne sont pas en manque d’imagination pour expliquer telle ou telle anomalie du modèle standard qui ouvrirait alors une nouvelle physique. Ces anomalies pourraient par exemple provenir d’une autre particule chargée non prévue par le modèle standard.

Bref, les physiciens ont du pain sur la planche et le LHC relance la recherche internationale pour la compréhension de notre monde et c’est parti pour durer un certain nombre d’années de recherche et d’affinement des mesures du Higgs pour le regarder sous toutes les coutures et voir s’il se tient à carreaux ou si il fait des choses plus « exotiques ».

Certes, pour le commun des mortels, le fait que le boson de Higgs soit différent de ce que prédit le modèle ne va pas changer grand chose. Mais il ne faut pas oublier notre histoire et que chaque remise en question de la physique d’une époque a débouché sur de grandes avancées scientifiques et technologiques. Et puis n’oublions pas que pour trouver ce boson de Higgs, l’homme a dû construire des machines et de détecteurs complexes qui ont de nombreuses applications dans les technologies de l’information et dans l’imagerie médicale.

Et après ?

Le LHC doit poursuivre sa campagne de collisions jusqu’à mars 2013, ce qui permettra encore d’affiner les résultats et de s’assurer que le Higgs colle dans certains modèles ou pas. Ensuite, le CERN va passer un an et demi à consolider cet accélérateur de particules car le LHC fonctionne aujourd’hui à un peu plus de la moitié de sa puissance seulement (mais c’est déjà beaucoup). Il devrait alors repartir à quasiment sa puissance maximale en 2015 pour fournir de nouveaux résultats à des énergies que nous n’avons jamais explorées.

Le problème est que le LHC est une machine de découverte qui fait beaucoup de collisions entre protons et qui balaye une grande portion d’énergie mais ce n’est pas la meilleure machine pour étudier le Higgs en détail. La communauté de physique planche désormais plus sérieusement sur l’après-LHC qui permettra d’étudier en détail le Higgs maintenant que nous savons où il se cachait. Ce sera sans doute un accélérateur linéaire d’électrons et de positrons qui ferait plus de 30 kilomètres de long. Actuellement, les deux projets les plus sérieux et avancés sont l’ILC (International Linear Collider) et le CLIC (Compact Linear Collider). L’ILC permettrait des collisions à 1 TeV et serait sans doute aux USA ou au Japon et le CLIC permettrait des collisions à 3 TeV et serait sans doute au CERN à Genève. Ce choix sera sans doute à faire par la communauté internationale dans les 5 prochaines années selon les résultats du LHC. Affaire à suivre…

 

Prototype test pour le CLIC au CERN (CTF3)

 Quelques liens utiles :

Les Terres Rares

Voici un terme que l’on retrouve de plus en plus dans les journaux et les magazines à juste titre car c’est la Chine qui fournit aujourd’hui 96% des terres rares à l industrie mondiale. J’ai donc voulu éclaircir dans ce billet ce que sont les terres rares et pourquoi elles constituent un enjeu stratégique économique majeur pour la planète étant donné qu’elles sont un pivot des technologies vertes.

Terres Rares

Si vous vous souvenez du tableau de Mendeleïev, on apprend que chaque colonne constitue un ensemble d’éléments chimiques ayant des propriétés voisines. Les terres rares sont représentées par la troisième colonne de ce tableau et sont constituées de 17 métaux qui se finissent pour la plupart en « ium » ou « dyme ». En voici la liste: Sc(Scandium), Y(Yttrium), La(Lanthane), Ce(Cérium), Pr(Praséodyme), Nd(Néodyme), Pm(Prométhium), Sm(Samarium), Eu(Europium), Gd(Gadolinium), Tb(Terbium), Dy(Dysprosium), Ho(Holmium), Er(Erbium), Tm(Thulium), Yb(Ytterbium), Sc (Scandium), Y(Yttrium), La (Lanthane), Ce(Cérium), Pr(Praséodyme), Nd(Néodyme), Pm(Prométhium), Sm(Samarium), Eu(Europium), Gd(Gadolinium), Tb(Terbium), Dy(Dysprosium), Ho(Holmium), Er(Erbium), Tm(Thulium), Yb(Ytterbium), Lu(Lutécium).

Je parie que vous n’en connaissez pratiquement aucun alors que sans eux, notre quotidien serait bien différent puisque ces métaux sont indispensables à nos petits appareils mobiles qui nous sont si chers tels nos téléphones portables et autres tablettes numériques!

Selon une enquête du magazine L’Expansion en 2011, les cours des terres rares affichaient des hausses comprises entre 500 et 2000 % sur un an. Par exemple, le néodyme utilisé pour les aimants permanents des génératrices d’éoliennes a vu son prix multiplié par 20 entre 2003 et 2010 !! Cet ensemble de matériaux est devenu dans les dernières années un marché clef pour les technologies high-tech et les technologies vertes.

Répartition de la production des terres rares entre la Chine et le reste du Monde depuis 1950

 Les applications

Les applications des terres rares sont innombrables dans des domaines très variés. En général elles sont utilisées en proportions « infimes » mais leur application pour des produits de masse fait que la demande mondiale augmente rapidement. On les retrouve par exemple dans la plupart des applications mobiles comme les téléphones portables et les tablettes numériques comme l’iPad. Les militaires sont de gros consommateurs également avec la fabrication d’aimants permanents pour des missiles et des systèmes guidage (Samarium, Néodyme) ou bien pour le fuselage des avions de chasse (Yttrium). Les technologies vertes sont évident le secteur qui augmentent le plus rapidement avec la fabrication indispensables d’aimants permanents pour les génératrices d’éolienne (Néodyme), les ampoules basses consommation ou les batteries pour voitures électriques. On les retrouve aussi dans les nouvelles générations de panneaux solaires CIGS utilisant de l’indium qui est lui aussi utilisé dans tous les écrans plats et les ordinateurs portables (environ 2g d’Indium par ordinateur portable). Les pots catalytiques des voitures sont également réalisés avec des terres rares.

Le problème écologique

Tous ces métaux ne sont pas si rares que ça en fait, on en trouve partout dans la croute terrestre et les chinois ne possèdent « que » 37% des réserves mondiales exploitables. Cependant, les terres rares sont relativement difficiles à extraire car très polluants. Les procédés d’extraction sont donc chers dans les pays développés où les normes écologiques et sanitaires sont assez strictes. La Chine étant plus « souple » que nous en matière écologique (comprenez que c’est le dernier de leur souci), ils sont tout à fait disposer à contaminer des populations entières pour extraire ces métaux et les vendre à des occidentaux pour fabriquer leurs petits appareils électroniques et développer des technologies « vertes ». En effet, l’extraction et le raffinage des terres rares produisent des poussières métalliques entrainant des maladies pulmonaires et il est nécessaire d’utiliser de très nombreux produits chimiques dangereux. De plus, on peut également observer la libération d’éléments radioactifs dans certains cas comme pour le Thorium. Aloys Ligault, chargé de campagne sur la Responsabilité sociale et environnementale aux Amis de la Terre nous dit la chose suivante : « Autour des usines chinoises, les déchets radioactifs de roches s’accumulent, les vapeurs de soufre, de fluor imprègnent l’air et les rejets de métaux lourds polluent les rivières« .

 

Les mines à ciel ouvert de Baotou en sont le plus sinistre symbole où des territoires entiers sont sinistrés à cause de cette activité minière qui en fait un des lieux les plus pollués de la planète selon le magazine Terre Sauvage. Il faut tout de même signaler que 75% des terres rares dans le monde sont produites à Baotou sans se préoccuper de l’environnement ni des populations locales (2.5 millions d’habitants à Baotou tout de même).

Pour conclure

Les technologies vertes et les appareils high-tech nécessitent des terres rares qui sont produites quasi exclusivement en Chine dans des conditions écologiques et sociales scandaleuses (d’où le paradoxe avec les technologies vertes !!). L’industrie continue néanmoins à augmenter sa demande ce qui a pour conséquence de faire exploser les prix et la Chine commence à limiter ses exportations, bien consciente de sa force de pression sur l’occident. Les USA, le Japon et l’Union Européenne ont ainsi déposé plainte à l’OMC à cause de ses limitations d’exportation au mois de mars 2012. Barack Obama a dit à cette occasion que « Si la Chine laissait simplement le marché fonctionner de lui-même, nous n’aurions pas d’objection […] mais ses politiques actuelles empêchent que cela se produise. Et elles vont à l’encontre des règles que la Chine a accepté de suivre ».