Archives mensuelles : novembre 2008

La première liquéfaction de l’hélium par H.K. Onnes


Alexandre Moatti
présentait le mois dernier une nouvelle bibliothèque numérique présentant des textes fondateurs de la science antérieurs à 1940 et analysés par des scientifiques contemporains : BibNum.

Je viens de faire une analyse sur BibNum au sujet de la première liquéfaction de l’hélium réalisée en 1908 par Heike Kamerlingh Onnes au laboratoire de Leyde aux Pays-Bas : voir l’analyse sur Bibnum.

L’analyse s’appuie sur le communiqué fait à l’Académie des Sciences où il décrit son expérience et sa découverte de l’hélium liquide. Il atteint alors la température de 1,65 K (-271,5 °C), la plus basse jamais atteinte par l’homme à cette époque. On peut voir sur la photo ci-contre H.K. Onnes (à droite) et G.J. Flim (à gauche), le chef du laboratoire de cryogénie, devant le liquéfacteur d’hélium à l’université de Leyde en 1908.

 Seulement trois ans plus tard, Onnes découvrira  par hasard la supraconductivité : en dessous d’une certaine température très basse, dite critique, certains matériaux laissent circuler l’électricité sans aucune perte (la résistance devient nulle). Onnes obtiendra le prix Nobel en 1913 pour ses recherches sur les propriétés de la matière aux basses températures, qui conduisirent, entre autres, à la production d’hélium liquide.

Cette découverte pouvant passer inaperçue était une prouesse technologique et scientifique tout en ouvrant la voie à de très nombreuses applications comme la supraconductivité. Les supraconducteurs sont principalement utilisés pour fabriquer des électroaimants peu encombrants et générant de très forts champs
magnétiques. Aujourd’hui, la physique des particules et l’imagerie médicale ont recours tous les jours à la cryogénie à l’hélium liquide pour refroidir des aimants supraconducteurs. Le plus grand succès de l’hélium liquide et de la supraconductivité est l’accélérateur de particules LHC (Large Hadron
Collider
) au CERN qui vient de démarrer cette année, exactement 100 ans après la première liquéfaction de l’hélium par Onnes.
Le LHC est composé de 27 km d’aimants supraconducteurs qui baignent dans de l’hélium superfluide à 1,9 K. Au total, 60 tonnes d’hélium liquide (normal et superfluide) sont utilisés pour refroidir les 36 800 tonnes de la machine.

Cartographie de la physique V2

Ceci est la suite du billet Cartographie
de la physique
. Je propose ici une deuxième version en fonction des remarques faites en commentaire dans le billet précédent et des différentes conversations de vive voix que j’ai eues avec collègues et amis au sujet d’un « découpage de la physique ».



Voici les modifications notables :

– Ajout de la Biophysique que je n’avais absolument pas considérée

– Ajout de la physique du globe qui était également absente

– Ajout de la physique mathématique  que j’avais décidé de ne pas mettre au début mais je me suis
rendu compte que cette branche ne pouvait pas être délaissée ou rattachée à un autre domaine particulier

– J’ai renommé la « physique théorique » en « théories des unifications »
car toutes les théories présentées étaient des théories d’unification

– Ajout de la mécanique quantique relativiste dans les théories d’unification


Pour les versions PDF en meilleure qualité, c’est ici :

Voir le planisphère V2 en haute définition

Voir le schéma V2 du début en haute définition

La question des sciences de l’ingénieur

J’insiste encore sur le fait de ne pas détailler les sciences de l’ingénieur ici car ce n’est pas le but. La physique signifie « l’étude de la nature » étymologiquement, ce que font toutes les disciplines de cette carte (électromagnétisme, mécanique, astronomie, etc.). On ne peut donc pas inclure directement dans la physique l’électronique qui résulte de l’étude de circuits construits par l’homme : pour moi, l’électronique fait parti des sciences de l’ingénieur. En revanche, la physique des semi-conducteurs, elle, étudie le comportement physique (de la nature) des composants électroniques comme les transistors. Certes, la
physique des semi-conducteurs n’est pas explicitement représentée sur ma carte mais elle est implicitement incluse dans la physique des solides qui appartient à la physique de la matière condensée : eh oui, je ne peux pas détailler toutes les spécialités sur la carte, cela serait trop compliqué, prendrait trop de place et la carte ,perdrait de la clarté.

Les relations entre les domaines

Beaucoup de personnes m’ont reproché de ne pas représenter les liens entre les domaines pour bien comprendre les dynamiques qui existent entre les différents domaines comme Nina qui disait en commentaire que pour faire de la physique des plasmas il faut faire « de la mécanique quantique, de la physique atomique, de la thermodynamique (classique et statistique)… et j’en passe! ». En réponse, j’ai proposé de faire une matrice évaluant les relations entre les domaines (car la représentation graphique serait trop illisible). J’ai donc réalisé 2 matrices distinctes :

– Une que j’ai nommé matrice de liaison

– Une que j’ai nommé matrice de dépendance

 Chaque ligne et chaque colonne de ces matrices représente un « grand domaine », i.e. les rectangles bleus dans le schéma ou les continents sur la carte. J’ai simplement écarté la physique mathématique car par définition elle agit avec toutes les disciplines et j’ai également séparé la mécanique classique et relativiste.

Matrice de liaison

Dans la matrice de liaison, on place un ‘1’ à l’intersection de 2 domaines s’il existe un lien (quel qu’il soit) entre les deux et ‘0’ sinon. On voit tout de suite que cette matrice aura une diagonale de ‘1’ et sera symétrique. Le résultat est le suivant :



(Astro :Astronomie / Globe :Physique du gobe / M Cond. : Physique de la Matière Condensée /Thermo : Thermodynamique / EM : Electromagnétisme / Bio : Biophysique / Quant :Physique Quantique / M Cl : Mécanique Classique / M Rel : Mécanique Relativiste /Plas : Physique desPlasmas / Opt :Optique / Unif : Théories d’unification)

Cette matrice contient 55% de ‘1’ ce qui signifie qu’en moyenne, chaque domaine entretient des relations avec 55% des autres domaines (parmi les domaines prédéfinis bien sûr). Dans la dernière colonne, j’ai totalisé le nombre de liens par domaine et on peut voir que c’est l’astronomie, la matière condensée et l’électromagnétisme qui entretiennent le plus de relations. A l’inverse, la biophysique et la les théories d’unifications entretiennent peu de rapports avec les autres domaines.

Matrice de dépendance

Pour affiner la matrice de liaison, j’ai décidé de représenter les dépendances entre les domaines. Je m’explique : à l’intersection d’un domaine X en abscisse et d’un domaine Y en ordonnée, on place un ‘1’ si X dépend de Y. En gros, si le domaine X est nécessaire pour travailler dans le domaine Y, on place un ‘1’. On voit tout de suite que dans ce cas, on aura toujours une diagonale de ‘1’ mais la matrice ne sera plus symétrique car les relations de dépendance ne sont pas
réciproques.  Voici le résultat :


J’ai également totalisé le nombre de ‘1’ (hors diagonale) dans les lignes et les colonnes. On peut alors dire que les totaux des lignes correspondent à la
nécessité d’un domaine car beaucoup d’autres domaines font appel à lui alors que les totaux des colonnes représentent la dépendance d’un domaine, à savoir le nombre de domaines dont il a besoin pour exister.

On s’aperçoit que l’astronomie, la physique du globe, la biophysique et les
théories d’unifications ne sont pas nécessaires aux autres domaines alors que l’électromagnétisme et la physique quantique sont nécessaires dans beaucoup de domaines, on peut alors dire que se sont des domaines plus « fondamentaux » au sein de la physique.

Concernant la dépendance des domaines, l’astronomie est de loin le domaine le plus dépendant car il utilise presque tous les autres (seul la biophysique et la physique du globe ne sont pas nécessaires à l’astronomie). A l’opposé, l’électromagnétisme, la physique quantique et la mécanique classique sont entièrement indépendants dans le sens où il ne font pas appel aux autres domaines de la physique.

Finalement, si vous voulez une vision graphique, c’est possible et on obtient le schéma ci dessous. Ce sont les relations de dépendances qui sont représentées : une flèche de X vers Y signifie «X dépend de Y» :



Une méthode pertinente ?

Je ne pense pas que l’on puisse faire des jugements de valeurs pertinents en se reposant sur ces matrices uniquement pour deux principales raisons. Premièrement, les résultats dépendent très fortement du choix des domaines qui a été fait à la base. Pour avoir une vision plus juste il faudrait inclure tous les sous-domaines et cela ferait une matrice gigantesque très compliquée à remplir. Deuxièmement, j’ai rempli moi-même ces cases sans être forcément spécialiste d’un domaine donc certaines dépendances ne sont peut être pas forcement justifiées (je compte d’ailleurs sur vous pour me corriger). Cependant, ces matrices sont intéressantes pour apprécier qualitativement les relations
entre les domaines de la physique.

Une méthode qui serait plus juste serait de faire des pondérations sur les dépendances car dans ma méthode, il n’y a pas de « mesure » d’une dépendance. Pour reprendre l’exemple de la physique des plasmas, la dépendance à l’électromagnétisme est sans doute plus « forte » que la dépendance avec la thermodynamique. Quoique ce soit très difficile à évaluer. Une méthode serait de regarder le nombre d’articles de journaux qui font référence à des articles de
domaines différents, ce serait ainsi une manière de quantifier les dépendances entre les domaines mais ça demande pas mal de travail… D’autant plus que je me suis cantonné à la physique exclusivement. Il est évident que les relations avec des sciences « externes » existent. Par exemple, la biophysique est fortement liée à la biologie qui ne fait pas partie de la physique.

Bref, le découpage de la physique est à méditer et les relations entre les domaines sont très difficiles à évaluer.

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Ceci est la suite du billet Cartographie de la physique. Je propose ici une deuxième version en fonction des remarques…

Cartographie de la physique

C’est un constat que peu de personnes peuvent réfuter : depuis le début du 20ième siècle, les scientifiques se spécialisent de plus en plus. Même les physiciens ont du mal à s’y retrouver dans toutes les disciplines d’aujourd’hui !

Le temps des scientifiques philosophes

Depuis l’antiquité grecque jusqu’au 18ième siècle, les scientifiques étaient philosophes, mathématiciens, physiciens, biologistes, astronomes, voire médecin. Certes, il y avait des petites préférences, mais ils touchaient un peu à tout et ils avaient une assez bonne vue d’ensemble de la science de leur époque, bien que les moyens de communications étaient très loin de ceux d’aujourd’hui. Prenons par exemple Descartes (1596-1650), il est étudié par de nombreux
étudiants:

  • Les étudiants en philosophie l’étudient en détail
  • Il est présent dans les cours de mathématiques en algèbre et en géométrie
  • En mécanique, il est mentionné pour la loi des chocs
  • Il est omniprésent dans les cours d’optique géométrique

 Le début des spécialisations

Durant le 18ième jusqu’au début du 20ième siècle, les scientifiques commencèrent à se spécialiser, par exemple en physique ou en mathématiques, mais les champs d’applications restaient relativement vastes et il y avait d’importantes passerelles entre les disciplines. Carl Friedrich Gauss (1777-1855), l’un des plus fameux mathématiciens de tous les temps, a par exemple apporté de nombreux résultats en astronomie et il est également à la base du magnétisme avec Weber.

 L’apogée du scientifique ultra spécialiste

La physique du début du 20ième siècle va voir deux grandes révolutions :

  • La naissance de la physique quantique avec la théorie des quanta de Planck (1900)
  •  La relativité restreinte (1905) et générale (1915) d’Einstein

 A partir de cet instant, les théories vont se complexifier, les artifices mathématiques vont être de plus en plus sophistiqués et l’accès à la connaissance d’un domaine va être de plus en plus ardu.

Non seulement les scientifiques du 20ième siècle vont se cantonner à la physique ou aux mathématiques pures mais ils vont se spécialiser encore et encore. Un chercheur au CNRS travaille en général sur un sujet précis relatif à un domaine faisant lui-même parti d’une discipline. Je prends comme exemple mon directeur de thèse qui est au CNRS : il travail dans les Sciences et Technologies de l’Information et de l’Ingénierie (ST2I), son domaine est l’automatique et son sujet d’étude porte sur les systèmes à retard. C’est évidemment très obscur pour une personne étrangère au domaine !

  Les avancées dans tous les domaines ont été telles, que la connaissance complète d’un domaine de la physique moderne demande plusieurs dizaines d’années de travail. Aujourd’hui, personne ne peut être à la pointe dans plusieurs domaines disjoints. Cependant, toutes les disciplines entretiennent des relations plus ou moins fortes. Je prends un exemple que je connais bien : la cryogénie (science qui a pour objectif l’étude des basses températures et de ses effets sur la matière), il faut faire de la thermodynamique, de la mécanique des fluides, voire de la physique quantique, d’où la difficulté d’établir une carte des domaines de la physique !

 Une carte de la physique moderne

Je me suis donc dit, comment élaborer une « carte de la physique » pour que monsieur tout le monde puisse y voir un peu plus clair? Il faut avant tout essayer de différencier les disciplines, les domaines, les théories et les spécialisations. Le  découpage est loin d’être trivial, une hiérarchie entre les différentes entités est impossible car tout se recoupe plus ou moins. Après plusieurs tentatives sur des feuilles A3 avec presque une centaine d’entités et des flèches dans tous les sens, j’ai compris que c’était impossible et que ma belle idée n’était pas réalisable : l’architecture de la physique est complexe !

Je me suis donc résolu à donner mon interprétation personnelle de l’organisation de la physique, faute de mieux.
Cette représentation est entièrement subjective, il manque sans doute des entités et j’ai sans doute mis des choses insignifiantes. J’ai décidé volontairement de ne pas détailler les sciences de l’ingénieur pour des raisons de clarté. C’est pour cette raison que l’informatique, l’automatique, la robotique, l’électronique, la micro électronique, etc. sont absents de cette carte.

 Voilà le résultat après quelques heures de réflexion : 

J’ai ensuite transposé ce schéma sur un planisphère terrestre (l’image du début de l’article). Je précise d’avance que l’attribution des domaines aux continents et aux pays n’a rien à voir avec l’endroit géographique en question, la répartition a été faite selon la « place » disponible dans les continents. Pour voir les images en meilleure qualité :

Voir le planisphère du début en haute définition (PDF-115ko)

– Voir le schéma ci-dessus en haute définition (PDF-80ko)

 Vous constaterez que le découpage peut être refait de nombreuses manières différentes. J’ai par exemple créé une section « optique » contenant « l’optique ondulatoire » et « l’optique quantique » alors que ces dernières pourraient être respectivement rattachées à « l’électromagnétisme » et à la « physique quantique », mais dans ce cas je ne savais plus où mettre « l’optique géométrique ». Eh oui, c’est un vrai casse-tête ! Ceci n’est qu’un exemple parmi d’autres. Vous constaterez également que la « physique des plasmas » est toute seule car je n’ai pas su où la classer. Concernant ma section « physique théorique », c’est principalement de la « physique quantique » mais ce découpage permet de séparer la physique expérimentale et la physique théorique pure, ce qui me paraît plus élégant…

 Vos réactions sont les bienvenues

J’attends vos commentaires au sujet de cette carte. Que voudriez-vous voir apparaître (ou disparaître), pensez-vous que certains liens sont justifiés ? Si je récolte suffisamment de propositions (constructives), j’essayerai, en me basant sur vos remarques, de faire une deuxième version de cette carte qui n’est encore qu’une ébauche…

La deuxième version se trouve ici : Cartographie de la physique V2