Archives mensuelles : février 2011

Pourquoi la recherche fondamentale est-elle fondamentale ?

C’est en écoutant le discours de Rolf Heuer, le Directeur Général du CERN, au forum économique mondial de Davos que j’ai voulu aborder ce sujet ici.

Rolf nous explique que ce n’est pas en persévérant dans la recherche appliquée sur la bougie que l’homme a découvert l’ampoule électrique à incandescence ! C’est bien en faisant de la science fondamentale, en voulant comprendre l’essence même de la nature, que l’homme a mis en évidence la nature de l’électricité et son fonctionnement, sans vouloir à priori trouver un système d’éclairage pour remplacer la bougie ou trouver une nouvelle source d’énergie.

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Cette problématique n’est pas nouvelle : Michael Faraday, un des pionniers dans la compréhension de l’électricité, fut à l’époque critiqué au sujet de ses recherches considérées comme « inutiles ». Il aurait répondu à William Gladstone au sujet de l’électricité : « Un jour, on pourra prélever des impôts dessus ». Faraday ne comptait pas si bien dire 50 ans avant la découverte de la lampe à incandescence par Thomas Edison puis de l’utilisation massive de l’électricité dans nos sociétés. Cette petite anecdote  nous permet de nous rendre compte qu’il est extrêmement difficile d’évaluer à un moment donné les retombées futures d’une découverte en recherche fondamentale.

 Délai entre recherche fondamentale et application

Le délai entre la recherche fondamentale et son application peut être très rapide voire instantané comme la découverte des rayons X et de la radiographie par Wihelm Röntgen en 1895. Cependant, ce laps de temps peut être beaucoup plus long : c’est le cas de la découverte du spin des particules (une propriété quantique fondamentale des particules) en 1925 et de l’augmentation des capacités des disques durs en 1997
(spintronique).

Bien évidemment, avant d’utiliser le spin des particules  dans nos disques durs d’ordinateurs, il fallait d’abord inventer l’ordinateur et le disque dur, qui eux-mêmes dépendent de centaines de découvertes fondamentales et il est donc normal que Samuel Goudsmit et George Uhlenbeck, les découvreurs du spin en 1925, ne puissent pas penser aux disques durs…

Ce raisonnement peut paraitre absurde mais il est pourtant important de le mentionner pour comprendre que le monde évolue vite et que de nombreuses applications de la recherche fondamentale peuvent être inenvisageables avec les connaissances de l’époque. Aujourd’hui, nous vivons de plus en plus dans une société de l’immédiateté où tout le monde (politiques incluses) veut voir des résultats immédiats. Il faut bien comprendre que la Recherche ne marche pas de cette manière et que la Science a besoin de temps!

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Les disques durs utilisent aujourd’hui la magnétorésistance géante, un phénomène quantique issu du spin des électrons (recherches issues du Prix Nobel français Albert Fert)

 L’explosion de l’information du 20ème siècle

Certes la Science d’aujourd’hui va plus vite qu’au 19ème siècle avec les moyens de télécommunications ultrarapides mais la quantité d’information a littéralement explosée et il devient de plus en plus difficile d’appréhender toute la recherche d’un domaine. Aujourd’hui, quand on fait un doctorat, on a besoin d’une année entière (après les 5 ans d’études universitaires réglementaires) pour faire l’état de l’art d’un domaine de la science souvent restreint.

Pour le dire plus simplement: il faut 1 année complète d’étude à un universitaire pour comprendre où en est la science dans un tout petit domaine que seule une poignée de chercheurs comprend vraiment. C’est pourquoi il est important de faire de la recherche dans un environnement pluridisciplinaire car aucun chercheur ne peut maitriser plusieurs domaines, contrairement aux scientifiques d’antan (disons jusqu’à la fin du 19ème siècle) qui cumulaient les fonctions de philosophes, médecins et scientifiques dans tous les domaines (mécanique, optique, thermodynamique…).

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Différences entre un scientifique du 17ème siècle (René Descartes) et du 21ème siècle (John Ellis)

 Des exemples tout au long de ce blog

Je voulais vous citer une série de liens entre recherche fondamentale et applications qui ont déjà fait l’objet de billets dans ce blog :

ARVA (Appareil de Recherche de Victime d’Avalanches) : Cet appareil permettant de sauver des vies en cas d’avalanches est basé sur l’émission et à la réception des ondes électromagnétiques découvertes à la fin du 19ème siècle et mises en équation par Maxwell en 1865.

Charpak et sa chambre à fils : Georges Charpak inventa un détecteur de particules bien particulier pour le CERN en 1968 et ce type de détecteur est aujourd’hui utilisé en imagerie médicale pour faire de la radiologie 3D.

Comment mesurer la température d’une étoile : On peut mesurer la température d’un objet (comme une étoile) à partir de son spectre électromagnétique via l’équation de Planck expliquant le rayonnement des corps noirs.

L’échographie : Cette technique
d’imagerie médicale bien connue des futures mamans est basée sur l’émission et la réception d’ultrasons, ondes sonores découvertes en 1883 par Galton.

La datation radiométrique au Carbone 14 : Cette méthode inventée en 1960 par Libby pour dater des échantillons organiques est directement issue de la découverte de la radioactivité par Becquerel en
1896.

Le LASER : En 1917, Einstein découvre
l’émission stimulée des atomes. Plus de 40 ans plus tard en 1960, ce phénomène est utilisé pour produire une source de lumière cohérente par Maiman: le LASER.

Le Microscope Electronique a Balayage : Ce microscope permettant de réaliser des images exceptionnelles depuis les années 60  n’aurait jamais pu voir le jour sans la découverte de la
structure de l’atome et des électrons du début du 20ème  siècle.

Sadi Carnot : Toutes les machines thermiques,
des machines à vapeurs aux moteurs d’avions à réactions en passant par les réfrigérateurs essayent de se rapprocher de la machine de Carnot, la machine thermique idéale. 

Le web : Il ne faut pas non plus oublier que pour
faire de la recherche fondamentale, il faut parfois construire des machines très complexes comme des accélérateurs de particules, et que pour construire de telles machines, il faut faire de la recherche appliquée et développer de nouvelles technologies. Un des meilleurs exemples est peut être le WEB : C’est en voulant échanger des informations issues de la physique des particules que Tim Berners Lee a inventé le WEB au CERN en 1989. Aujourd’hui, presque tous les foyers des pays développés l’utilisent.

Max Planck: Autobiographie scientifique

Cet éminent scientifique allemand est à mon avis trop méconnu en France, je voulais donc lui consacrer un billet ici suite à la lecture de son autobiographie scientifique, rédigée à la fin de sa vie en 1945 (il avait alors 87 ans). 

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Max Planck : ce nom n’évoque peut être pas grand-chose pour la majorité des français mais il est pourtant l’un des plus grands physiciens du 20ème siècle. Prix Nobel de physique en 1918, c’est lui qui posa la première brique de la physique quantique : le quantum élémentaire d’action.

Max Planck nous raconte dans son autobiographie ses études à Munich puis à Berlin et comment il en est arrivé à choisir la physique théorique comme domaine de prédilection (il hésita longtemps entre la musique et la science). La physique théorique était une discipline peu développée à cette époque où l’expérimentation était presque la seule manière de faire de la science. Il s’orienta rapidement lors de son doctorat à Berlin sur la thermodynamique qui le passionnait depuis ses lectures de Rudolf Clausius au sujet du second principe de la thermodynamique et d’une grandeur thermodynamique appelée Entropie. L’entropie est une grandeur physique ne pouvant qu’augmenter dans le temps et représentant le désordre microscopique (voir mon billet précédent sur la thermodynamique). Cet Entropie était en quelque sorte le cheval de bataille de Planck ; il écrit à ce sujet :

« Cependant, j’étais si profondément convaincu de l’importance de la tâche que je m’étais moi-même imposée, que de telles expériences ne pouvaient me détourner de poursuivre mes études sur l’entropie, notion que je regardais à coté de l’énergie comme la propriété la plus importance des systèmes physiques. »

 A Berlin, il côtoyait les plus grands physiciens allemands de la fin du 19ème siècle comme Helmholtz et Kirchhoff mais ces derniers n’apportaient que peu de crédit à ce que le jeune Max Planck considérait  comme primordial. On sent bien à travers ses écrits que
l’incompréhension de ses pairs était douloureuse pour lui : 

« C’est une des plus pénibles expériences de ma vie scientifique tout entière, que j’aie bien rarement –  et en fait, je pourrais dire que je n’aie jamais – réussi à obtenir l’assentiment universel  pour un résultat nouveau, dont je pouvais démontrer la vérité par une décisive, encore que simplement théorique, démonstration. [ …] Tous mes excellents arguments tombaient dans des oreilles sourdes.»

Après quelques années, la théorie de la chaleur au sens de Clausius que Planck défendait (c’est-à-dire différente de la théorie purement mécanique) fut enfin reconnue grâce à Boltzmann. Planck nous confie que :

« Une vérité nouvelle en science n’arrive jamais à triompher en convaincant les adversaires et en les amenant à voir la lumière, mais plutôt parce que finalement ces adversaires meurent et qu’une nouvelle génération grandit, à qui cette vérité est familière. »

C’est une réflexion un peu sévère pour la science que Planck mène ici mais l’histoire des sciences ne peut que lui donner raison.

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En cette fin de 19ème siècle, Planck était en quelque sorte le « théoricien » de Berlin qu’on utilisait pour résoudre différents problèmes physiques. Il travailla notamment en acoustique sur l’étude des gammes musicales en essayant de comprendre pourquoi la gamme tempérée est plus plaisante à l’oreille que la gamme naturelle. Il apporta également sa contribution en électricité mais c’est en 1900, alors qu’il essayait depuis plusieurs années de résoudre un problème qui le tenait à cœur sur le spectre thermique des éléments appelé le rayonnement du corps noir, que Planck apporta une importante nouveauté à la Science…  Je ne vais pas vous détailler ici le problème du corps noir (voir ce billet qui explique tout ça) mais simplement vous expliquer la démarche de Planck.

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Statue de Max Planck à l’Université Humboldt de Berlin (photo personnelle)

 Planck était toujours intimement convaincu que la piste à suivre pour expliquer le rayonnement du corps noir était une explication à travers l’entropie (toujours elle) contrairement à tous les scientifiques de l’époque qui se concentraient sur la température. Après maints efforts et échecs, Planck trouve une formulation mathématique semblant expliquer le rayonnement du corps noir dans toutes les gammes d’énergies et de fréquences (jusqu’à présent, tous les modèles fonctionnaient dans des cas précis mais jamais partout). Pour cela, il introduisit dans son équation une nouvelle constante universelle qu’il appela h et qui représentait une quantité d’action élémentaire indivisible.

« D’autre part, s’agissant de la grandeur W, je trouvais que pour l’interpréter comme une probabilité ainsi qu’il convenait, il était nécessaire d’introduire une constante universelle, que j’appelai h. Comme elle avait les dimensions d’une action (une énergie multiplier par un temps), je lui donnai le nom de quantum élémentaire d’action. »

Au début, Planck qui était plutôt conservateur, tenta de faire disparaitre ce quantum élémentaire d’action qui n’avait alors pas de signification physique dans le cadre de la physique classique et qui se révélait plus encombrant qu’autre chose. Mais en vain. Cette constante était nécessaire pour que les équations restent en accord avec les observations et Max Planck dû se rendre à l’évidence :

« L’échec de toutes mes tentatives pour sauter l’obstacle me rendit bientôt évident le rôle fondamental joué par le quantum élémentaire d’action dans la Physique atomique, et que son apparition ouvrait une ère nouvelle dans les sciences de la nature. »

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Max Planck et Albert Einstein en 1929 à Berlin

Cette constante deviendra par la suite la fameuse constante de Planck qui donnera naissance quelques années plus tard à la théorie des quanta (la future physique quantique) avec les contributions de Niels Bohr, Erwin Schrödinger et Louis de Broglie. Cinq ans plus tard, un certain Albert Einstein réutilise la théorie des quanta pour expliquer l’effet photoélectrique : la fameuse constante de Planck h multipliée par la
fréquence d’une onde électromagnétique représentera alors un « grain de lumière » qui prendra le nom de photon. Planck fut d’ailleurs un des premiers défenseurs de la Relativité d’Einstein et n’hésitera pas à comparer les deux théories :

« La vitesse de la lumière est à la théorie de la Relativité ce que le quantum élémentaire d’action est à la théorie des quanta : c’est son centre absolu. »

Voilà, j’espère que Max Planck vous est désormais un peu plus familier et je vous recommande vivement la lecture de son autobiographie scientifique. Au passage, Max Planck a laissé son nom non seulement à une constante universelle et à une loi physique mais également à un institut de recherche fondamentale allemand. Aujourd’hui, l’Institut Max Planck est un des plus prestigieux laboratoires de recherche du monde et emploie environ 13000 personnes. De plus, 17 prix Nobel ont été décernés à des chercheurs de cet institut depuis sa création en 1948, juste après la mort de Max Planck (a titre de comparaison, la France a récoltée 7 Nobel en physique depuis 1948).