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Ça pèse combien une particule ?

La question peut paraitre bizarre au premier abord mais c’est loin d’être anodin… Tout d’abord, c’est quoi une particule, au sens de la physique ?

Une particule, c’est quoi ?

Il existe deux types de particules en physique des particules :

  • Les particules élémentaires sont des éléments indivisibles selon les connaissances actuelles.
    • Exemple : les électrons, les quarks, les photons (il y en a 18 dans le modèle standard de la physique des particules).
  • Les particules composites qui sont constituées de particules élémentaires et qui forment une nouvelle entité indépendante.
    • Exemple : les protons et les neutrons (formés de quarks), les différents atomes comme l’hydrogène, le carbone, l’uranium, etc. (formés de protons, neutrons et électrons), les molécules (formées d’atomes), etc.
Les particules élémentaires du modèle standard selon Noémie et Alex.

La masse, c’est quoi ?

Dans mon titre, j’utilise le mot « pèse », qui fait donc référence au « poids » mais en fait, dans le langage courant, on confond souvent le « poids » et la « masse ». Le poids s’exprime en Newton et diffère selon la gravité, c’est pourquoi votre poids est moindre sur la Lune que sur Terre. La « masse », quant à elle, s’exprime en kilogramme et est toujours la même, sur Terre ou sur la Lune. Pour plus d’info, allez voir un ancien billet sur le sujet : Le poids sur Terre. Bref, ici, on cherche plutôt la « masse » des particules.

En physique, selon le domaine, on n’utilise pas forcément le kilogramme (kg) mais aussi l’électronvolt (eV) qui est une unité d’énergie mais qui est équivalente au kilogramme en vertu de la relativité restreinte qui stipule que masse et énergie sont équivalentes (E=mc2). Donc une masse (en kilogramme), peut aussi s’exprimer en Joule ou en électronvolt, plus commode avec les particules qui sont toutes petites (1 électronvolt = 0.0000000000000000001602176565 Joule).

Pour compliquer encore un peu le tout, comme les mesures sont ultraprécises et pour éviter de se trimbaler 50 chiffres, on estime le plus souvent la masse des particules en fonction de l’unité de masse atomique unifiée (notée u) qui est définie comme un douzième de la masse d’un atome de carbone 12 (1 u ~ 1,660 539 066 60 × 10−27 kg). La masse d’un atome de carbone vaut donc exactement « 12 u » et peut être utilisée comme étalon pour mesurer la masse des autres particules.

La masse d’une particule

Maintenant passons aux choses sérieuses : trouver la masse de l’électron et du proton : les particules que nous connaissons le mieux. En kilogramme, en Joule, en électronvolt, en unité de masse, peu importe, c’est la même chose. Et comme vous pouvez vous en douter, on ne peut pas prendre un petit électron et le poser sur une balance pour le peser, c’est clairement impossible de procéder de la sorte avec nos technologies actuelles. Les meilleures balances professionnelles (balances analytiques) sont précises à environ un dix millième de gramme, ce qui représente environ cent mille milliards de milliards d’électrons, ça ne va pas le faire pour en peser un seul, il faut donc trouver autre chose. En fait, il y a plusieurs méthodes, et selon la précision voulue, ces méthodes sont plus ou moins compliquées et précises.

Joseph John Thomson, le découvreur de l’électron en 1897, est le premier à en estimer sa masse expérimentalement (il recevra pour cela le prix Nobel de physique en 1906). A l’époque, Thomson étudie les rayons cathodiques. Ces rayons, connus depuis le milieu du 19ème siècle, sontdes faisceaux d’électrons générés dans une ampoule en verre sous vide grâce à l’application d’une forte tension électrique entre ses deux extrémités métalliques. Thomson mesure la déviation de ces rayons en présence d’un champ magnétique. De ce fait, il peut en déduire que ces « rayons » sont constitués de particules négatives et que le rapport entre leur masse et leur charge (m/q) est extrêmement petit. Il constate que ces particules sont environ mille fois plus légères que les ions hydrogènes (autrement dit, les protons). Belle prouesse pour l’époque, c’est ainsi Thomson le premier à démontrer que les atomes sont divisibles et sont constitués d’éléments plus petits. Il développe même un modèle de l’atome : le modèle du pudding où les électrons représentent les grains de raisins du pudding, lui-même constitué de protons, mais ce modèle sera rapidement détrôné en 1911 par Rutherford qui démontre que les électrons (négatifs) se tiennent à bonne distance d’un noyau (positif).

Joseph John Thomson dans son laboratoire devant des tubes cathodiques. © Cavendish Laboratory, université de Cambridge.

Aujourd’hui les tubes cathodiques ont été remisés à la cave avec nos vieilles TV cathodiques. La dernière expérience en date pour mesurer la masse des particules chargées utilise ce que l’on appelle des « pièges de Penning » et sont des expériences de physique complexes, mises en œuvre par les meilleures équipes de recherche internationales mais le principe n’est pas si compliqué.

Le dispositif Penning utilisé par les scientifiques de MPIK pour des mesures de précision de la masse de particules uniques. (Image : Max Planck Institute for Nuclear Physics).

Pour faire rapide, un piège de penning permet de maintenir une ou plusieurs particules chargées de même signe comme des électrons (négatifs) ou des protons (positifs) dans un volume restreint. Ce piège est constitué d’un champ magnétique homogène qui impose aux particules de suivre une sorte de spirale ainsi qu’un champ électrique (qu’on qualifie de quadrupolaire) obligeant les particules à rester dans un volume donné. En gros, la particule tourne un peu comme une toupie tout en décrivant des spirales au sol mais qui en plus fait des montées/descentes en même temps tout en restant dans une sorte de bol sur lequel la toupie rebondirait.

On peut voir ici en violet à quoi ressemble la trajectoire d’une particule dans un piège de penning (superposition des trajectoires bleue, orange et rouge dues aux champs magnétiques et électriques). Source : group blaum, Heidelberg

Mais comment déduire la masse d’une particule avec ce piège ? Eh bien, les physiciens peuvent la déduire de ce mouvement un peu spécial. En effet, la fréquence d’oscillation de la particule selon la composante orange (nommée mouvement cyclotron et notée ω+ sur le dessin et ωc sur l’équation ci-dessous) peut être mesurée avec une très grande précision (de l’ordre du dixième de milliardième) et elle est fonction de la charge de la particule (q=connue), du champ magnétique appliqué (B=connu) et de la masse de la particule (m=inconnue):

Equation du mouvement cyclotron

Dans la réalité c’est un tout petit peu plus compliqué mais c’est en exploitant ce principe qu’on mesure aujourd’hui la masse des électrons et des protons avec une très grande précision. A noter tout de même que pour que ça marche correctement, le tout se fait à température cryogénique, à environ -269 degrés Celsius, soit 4 degrés seulement au-dessus du zéro absolu (4 Kelvin), sinon ce serait trop facile… Les derniers résultats en date sont les suivants :

Valeurs mesurées :

  • Proton = 1,007276466583 u (soit approximativement 1,67262 × 10−27 kg).
  • Electron = 0,000548579909067 u (soit approximativement 9,109 × 10−31 kg).

L’électron est ainsi 1836 fois plus léger que le proton.

La zététique, ou l’art de penser juste

Dans notre société moderne ultra-connectée et ultra-rapide, ce terme, zététique, devrait être enseigné dès l’école primaire. Certes, nos enfants ont des cours de sciences, de philosophie, d’éducation civique et de plein d’autres matières où ils doivent faire preuve de discernement, apprendre à penser, à argumenter, à discriminer le vrai du faux, mais toujours de manière « indirecte » alors que de plus en plus d’études sérieuses sur le sujet montrent que pour être efficace et durable, la zététique devrait être apprise de manière « directe ».

Mais j’oubliais, qu’est-ce que la zététique ? Si vous ne le saviez pas, la zététique est un terme apparu dès la fin du 17ème siècle et qui a été repris dans les années 80 pour (ré)introduire « l’art du doute raisonnable » par Henri Broch (voir cette vidéo de Henri Broch). Je me permets de citer ici l’article Wikipédia sur le sujet :

« Le but de la zététique est de chercher l’origine de ces croyances très répandues et d’en chercher les faiblesses épistémologiques, ou de proposer des explications raisonnables aux phénomènes dits paranormaux ».

Tout est dit, pour être un citoyen responsable aujourd’hui, la zététique est fondamentale, surtout avec cette propagation fulgurante de l’information, qu’elle soit vraie ou fausse, propagée par erreur, par inattention ou dans l’intention de nuire. Originellement développée pour combattre le « paranormal » ou les « pseudo-sciences » et « pseudo-médecines », la zététique doit à mon sens et pour beaucoup être aujourd’hui élargie à ce nouveau problème contemporain sur le discernement du vrai et du faux sur internet.

Source : Hygiène mentale

Aujourd’hui, on entend à tort et à travers le terme « fake news » un peu partout. Ce terme fourre-tout est vague et peut induire en erreur, il serait plus convenable d’utiliser les termes suivants :

  • Désinformation : information fausse et délibérément créée pour causer du tort à une personne, un groupe social, une organisation ou un pays. Exemple : le site Buzzfeed a mis en ligne un film truqué de Barack Obama disant tout le mal qu’il pense de Donald Trump, dans des termes orduriers et vulgaires. Tout est évidemment faux…
  • Mésinformation : information fausse mais non créée dans l’intention de nuire, elle peut même être défendue sincèrement alors que c’est une erreur. Exemple : les « platistes » qui pensent vraiment que la Terre n’est pas ronde et que la Nasa manipulerait les images satellites pour nous faire croire au plus gros mensonge de l’histoire (théorie du complot).
  • Malinformation : information basée sur des faits réels mais souvent tirés hors de leur contexte ou de la vie privée des gens dans l’intention de nuire à une personne, un groupe social, une organisation ou un pays. Exemple : l’affaire des courriels d’Hillary Clinton lors de la dernière campagne présidentielle américaine. Il s’est finalement avéré que des personnes en lien avec le gouvernement russe ont transmis à Wikileaks des milliers de courriels piratés du parti démocrate et du directeur de campagne d’Hillary Clinton pour avantager Donald Trump.

Je vous l’accorde, ces pratiques existent sans doute depuis le début de la société humaine. Lisez n’importe quel Zola et vous constaterez que le cancan y est omniprésent : la calomnie, le bavardage, le ragot, la médisance, le commérage, le potin… Autant de vieilles pratiques qui sont toujours d’actualité mais avec la vitesse de propagation de l’information aujourd’hui, l’impact est tout autre ! Ces pratiques sont les fléaux du 21ième siècle, pouvant tout à fait mener l’humanité à sa perte. Ces pratiques peuvent provoquer des morts comme avec ces communautés anti-vaccins qui sont directement responsables de plusieurs épidémies de rougeole et de coqueluche dans des régions « riches » avec des conséquences funestes. Et si je vous parle des négationnistes de l’origine anthropique du réchauffement climatique, comme certains (très) hauts politiques américains, on pourrait leur incomber des milliers de morts dus au réchauffement climatique…

Il existe bien entendu de nombreux organismes et sites proposant des cours de zététique ou autre pour développer son esprit critique mais ce devrait être une des missions de l’École. Ne vous inquiétez pas, ils sont déjà au courant (en France tout du moins) depuis un petit moment et je ne vais rien leur apprendre mais il faudrait quand même commencer à s’alarmer sur le sujet et à bouger un peu plus en formant le corps enseignant de manière appropriée en fonction de l’âge des enfants.

Quand on apprend à nos enfants que la Terre est ronde, ce ne doit pas être un dogme, il faut leur enseigner pourquoi nous en sommes certains et que nous ne sommes pas obligés de nous attacher à une rocket et de nous envoler au-dessus de la Terre pour constater sa courbure (ne rigolez pas, un américain qui voulait prouver que la Terre était plate à fait cela, détails ici, ce genre d’histoire arrive souvent aux États-Unis…).

Mais alors, comment apprendre à nos enfants à reconnaitre une fausse information ? Je ne suis pas du tout spécialiste de la question mais je suis allé voir des sites spécialisés et je me suis fait mon idée en conséquence car je suis convaincu que la meilleure des armes ici, ce n’est pas la censure mais l’éducation…

  • Premièrement, je pense qu’il faut commencer au plus jeune âge à éduquer les enfants à cette pratique (vers l’école élémentaire) car par la suite ce sera de plus en plus difficile, surtout à l’adolescence.
  • Il faut bien entendu commencer par leur expliquer de vérifier le site de publication, l’auteur et ses intentions ainsi que la date et le contexte dans lequel cette information est donnée. Bref, il faut développer leur esprit critique et méthodique et leur expliquer que si quelqu’un leur dit quelque chose qui leur parait « incroyable », eh bien il ne faut peut-être pas y croire tout de suite mais vérifier ailleurs…
  • Essayer de leur faire entrer dans le crâne qu’aucun réseau social n’est une source d’information fiable car alimenté par n’importe qui et sans aucun contrôle. Il est indispensable d’aller recouper les informations avec des « sources fiables » et surtout les éduquer à ne pas republier instantanément des informations qu’ils trouvent « cool » ou « horribles » sans avoir vérifié leur véracité. Je vous l’accorde, c’est facile à dire mais pas facile à mettre en pratique avec les ados qui ont des téléphones greffés dans leurs mains, c’est pour ça qu’il faut commencer tôt et entretenir cette pratique…
  • Il faut aussi que les adultes montrent l’exemple (ça parait évident mais ce n’est pas toujours le cas).
  • Cependant la théorie ne suffit pas, les accompagner sur des cas concrets sur internet en surfant avec eux est à mon humble avis une pratique nécessaire.
  • Leur faire faire des travaux pratiques comme retoucher une photo sur Photoshop ou faire un montage et y ajouter une fausse légende sur un sujet qui les intéresse dans le but de leur montrer à quel point il est aisé de fabriquer de la fausse information et de causer du tort.

Le plus difficile est sans doute de savoir identifier une « source fiable » et de faire preuve d’esprit critique. Qu’est-ce que cela signifie ? Comment faire ? Est-ce que Wikipédia est fiable alors que n’importe qui peut modifier un article ? Est-ce que le site d’un journal clairement identifié comme d’extrême gauche ou d’extrême droite est fiable (même question d’ailleurs sans être extrême) ? Eh bien la réponse s’appelle l’éducation, la culture, la science et l’expérience. Il faut rester critique sans devenir paranoïaque…

Source : Hygiène mentale

A voir :

  • http://www.zetetique.fr/. Allez donc visiter ce site et sa rubrique « l’actualité sceptique » ainsi que les différentes thématiques (de l’astrologie aux sophismes).
  • Pour la Science numéro 505 (Novembre 2019), dossier « les mécanismes de la désinformation ».
  • Hygiène mentale, un peu d’esprit critique chaque jour, très bien fait avec plein de conseils et des jeux éducatifs. A visiter avec vos enfants.