Animaux et physiciens – WUS#33

Aujourd’hui, un billet un peu « détente » où je vais me contenter de vous raconter quelques anecdotes impliquant physiciens… et animaux. Vous en connaissez sûrement quelques-unes, notamment le chat de Schrödinger, ou bien peut-être les moutons de Dirac. Il s’agit bien sûr d’un prétexte que j’ai trouvé pour parler de plusieurs phénomènes physiques assez divers ! C’est parti pour quelques anecdotes animalières de l’histoire de la physique !

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Cette image fait référence au boson de Higgs (« Higgs boson »), particule élémentaire mise en évidence au CERN en 2012 et permettant d’expliquer la notion de masse dans le modèle standard de la physique des particules.

Le chat de Schrödinger

(Il fallait bien en parler !)

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On en a parlé dans le billet précédent sur le formalisme de la mécanique quantique, mais on va revenir un peu dessus aujourd’hui, l’esprit plus paisible et moins mathématisé. Je n’y passerai pas très longtemps car le problème a été traité en profondeur sur internet !

L’idée, c’est de mettre en évidence le fait que la théorie quantique est totalement incompatible avec notre intuition classique. Que se passerait-il si on appliquait le formalisme quantique à des objets très gros, macroscopiques, comme des chats ?

On dispose donc d’un chat enfermé dans une boîte. Le chat est relié à un dispositif très particulier (c’est un appareil qui fait le lien entre monde microscopique et monde macroscopique). Cet appareil est un détecteur de désintégration. Mettons qu’on dispose d’un milieu radioactif. Si un atome se désintègre, le détecteur le percevra, et le dispositif tuera le chat (on parle parfois de marteau qui s’abat non pas sur le chat mais sur un flacon rempli de poison). Prenons un milieu où il y a une chance sur deux d’observer une désintégration au bout d’une minute. Que se passe-t-il ?

A l’échelle de l’atome, on peut (grossièrement) décrire le milieu à l’aide d’un vecteur d’état somme des deux possibilités : un vecteur tel qu’il y a désintégration au bout d’une minute, plus un vecteur tel qu’il n’y a pas de désintégration. L’état du milieu est la somme de ces deux vecteurs, on parle d’état superposé. Il n’est ni l’un, ni l’autre, ni les deux. C’est ensuite la mesure qui va projeter l’état initial vers l’une ou l’autre des solutions. Voilà le vocabulaire utilisé en mécanique quantique.

Mais qu’en est-il du chat ? Et bien c’est là tout le problème. Si on lui applique le même formalisme, l’état du chat est chat = mort + vivant où mort et vivant sont des vecteurs. Mais alors est-il mort ou est-il vivant ? Ou bien les deux ? On voit qu’il n’est pas concevable d’utiliser le formalisme quantique pour des objets de cette taille !

Les moutons de Dirac

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Voici une anecdote popularisée en France par Étienne Klein, qui a ses limites mais qui a l’avantage de nous faire évoquer Paul Dirac, physicien génial ayant grandement contribué à la mise en place de la théorie quantique, notamment grâce à son équation dite « de Dirac » qui fait le lien entre mécanique quantique et relativité restreinte. Paul Dirac avait une personnalité particulière, il parlait peu et s’efforçait de dire des choses vraies quand il le faisait. Il était peut-être atteint du syndrome d’Asperger.

L’histoire des moutons de Dirac, racontée par le physicien américain Alan Krisch, est la suivante : Dirac voyageait en train en Angleterre avec Wofgang Pauli, autre physicien d’énorme envergure. Après une heure de silence, Pauli, mal à l’aise, chercha à faire un peu de conversation, et tandis qu’ils passaient devant un troupeau de moutons, il dit à Dirac « On dirait que les moutons ont été fraîchement tondus ». Ce à quoi Dirac répondit : « Du moins de ce côté-ci ». Suggérant implicitement qu’on ne voyait que le côté des moutons qu’ils montraient à cet instant. J’aime imaginer l’inconfort de Pauli suite à cette réponse pour le moins étonnante.

Étienne Klein en conclut que notre esprit a toujours tendance à extrapoler à partir des facettes de la réalité que l’on perçoit. Que l’on conclut sur la nature des objets à partir d’un point de vue partiel. Ainsi, si je vois un objet sous un certain angle, je présuppose qu’il reste ce même objet si je change d’angle. « Un élément de réalité résiste à un changement de point de vue. » Si bien qu’un objet physique doit répondre à un certain nombre de principes d’invariance.

Ce serait cette conception de la réalité qui aurait amené Paul Dirac à établir l’équation dite de Dirac, équation – on l’a dit – inscrivant la mécanique quantique dans le cadre de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, et dont les solutions ont conduit à supposer l’existence de l’antimatière. Dirac a construit cette équation en cherchant à la rendre la plus symétrique possible, c’est-à-dire à la rendre invariante par des transformations – en l’occurrence par toute transformation du groupe de Lorentz qui caractérise l’espace-temps relativiste !

Si je trouve qu’il s’agit plus d’une anecdote montrant les difficultés sociales de Dirac qu’une preuve de son génie (après tout on fait tous machinalement l’extrapolation dont il est question), cette histoire a le mérite de me faire évoquer le fait que les symétries et les invariances sont depuis plusieurs décennies au centre de la physique moderne. Et puis qu’est-ce que l’antimatière ? En fait, il y a deux types de solutions à l’équation de Dirac, qui décrit le comportement d’un électron relativiste : un électron d’énergie positive ou un électron d’énergie négative. Or qu’est-ce que l’énergie négative ? Pour Dirac, il devait alors exister une particule identique à l’électron mais de charge électrique positive, et en fait toute la matière devait avoir un analogue de charge électrique opposée : l’antimatière. Mais ce type de matière est extrêmement instable et on n’en trouve quasiment pas dans l’univers. On a depuis pu créer et étudier de l’antimatière, notamment au CERN !

La grenouille de Galvani

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Connaissez-vous le verbe « galvaniser » ? J’imagine que oui. Saviez-vous que ce verbe vient en fait du nom d’un physicien italien ? C’est déjà un peu moins sûr. Avez-vous déjà entendu parler de l’histoire de la grenouille de Galvani ?

Je triche un peu en disant que Galvani était physicien. Né à Bologne en 1737, il a fait des études d’anatomie et de médecine. C’est à cette époque qu’on commence à découvrir les phénomènes électriques. On sait encore mal créer l’électricité, mais dans les foires, l’attraction du moment est la bouteille de Leyde : une sorte de dispositif (un condensateur) dont on se sert pour donner des chocs électriques aux curieux ! On commence alors à faire des expériences sur les animaux, et notamment les grenouilles : Galvani et quelques autres avant lui observent la contraction brusque des muscles de la cuisse de la grenouille lorsqu’on fait directement circuler un courant électrique dans un nerf.

Mais Galvani s’aperçoit d’autre chose, assez étonnant : quand on branche une seule électrode à l’extrémité d’un nerf de la grenouille, et qu’il se produit une étincelle à proximité, alors il y a également contraction du muscle de la cuisse de grenouille, et ce même si aucun matériau métallique ne relie l’étincelle au nerf ! Un déclenchement à distance de la contraction du muscle.

Galvani essaie de comprendre ce phénomène, qui se confirme lorsque le même résultat se produit lorsque c’est un éclair d’un orage qui est observé à proximité, au lieu d’une étincelle. Et ce dès le moment où le nerf est relié à un métal, qui fait en fait office d’antenne ! (ce qu’on a compris bien plus tard). Mais lorsque Galvani attend sur son balcon les orages, il se rend compte que même par temps clair, lorsque l’électrode de cuivre liée au nerf touche le barreau en fer du balcon, et bien le muscle se contracte ! Finalement, lorsque le nerf est relié par un arceau constitué de deux métaux différents, alors il se contracte !

Si Galvani fait l’hypothèse d’une « électricité animale » qui sera objet de débat jusqu’après sa mort, cette histoire a amené le physicien Volta à faire des recherches sur le sujet… qui iront jusqu’à l’invention de la pile Volta ! Pour ce dernier, l’origine de l’électricité n’est pas organique comme le pense Galvani mais bien métallique, et en empilant différents matériaux (argent, eau salée et zinc) il parvient à créer une pile ! Pile dont le principe repose en fait sur quelques équations chimiques d’échange d’électrons, on parle d’oxydation et de réduction des métaux. Une petite grenouille a donc contribué au développement de l’électricité !

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Les vaches de Gamow

On a déjà parlé de vaches sur ce blog ! Damien avait en effet consacré un billet à la notion de modèle en physique. Et on y parlait… de vaches sphériques. Et oui, car selon le degré de précision dont un physicien a besoin, il peut se permettre certaines largesses avec la réalité dans un modèle. On peut donc dire que grossièrement une vache a une forme sphérique, en première approximation. Parce que les calculs sont ensuite plus faciles ! Par extension, l’allusion aux vaches sphériques est devenue une blague dans la communauté scientifique, « supposer une vache sphérique » revient souvent à parler d’un modèle un peu trop approximatif.

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Mais ici c’est d’une autre histoire que je vais parler. Encore une fois c’est une anecdote que j’ai découverte via Etienne Klein.

George Gamow est un physicien totalement exceptionnel né en 1904 en Union Soviétique et devenu américain en 1940. Véritable touche à tout au caractère facétieux, il a eu des contributions considérables dans bon nombre de domaines de la physique : il a découvert l’effet tunnel, expliqué la radioactivité \alpha, prédit l’existence du fond diffus cosmologique et travaillé sur la nucléosynthèse primordiale (le Big Bang et la formation de l’univers), la formation des étoiles, participé à l’élaboration de la bombe atomique, et a même mené des recherches sur l’ADN et la génétique. Bref c’est un véritable monument de la physique qui me fait penser à Feynman, bien que son aura populaire soit moindre.

Gamow raconte que « quand il était au Danemark – où il a passé du temps à l’Institut de physique théorique de Niels Bohr, il aimait se promener en campagne et regarder les vaches. Il avait remarqué que quand les vaches danoises mâchent, elles le font dans le sens des aiguilles d’une montre. Plus tard, lors d’un voyage au Brésil, il s’aperçoit que les vaches locales mâchent dans le sens opposé. Gamow rédige alors un article qu’il envoie à la fameuse revue Nature, dans lequel il étudiait la possibilité que la force de Coriolis soit responsable de ce mâchage hémisphéro-dépendant ! Mais la revue rejeta l’article. » C’était apparemment une blague de Gamow, qui s’était inspiré d’un article effectivement paru dans Nature en 1927 (“Movements of the Lower Jaw of Cattle during Mastication,” P. Jordan, R. De L. Kronig, Nature, Vol. 120, Issue 3031, pp. 807, 1927) dans lequel les auteurs établissent qu’il n’y a pas de sens de rotation privilégié des vaches ! Il était capable de telles blagues, puisqu’il a notamment tenu à ajouter le nom de Hans Bethe dans un article fondamental paru en 1948 où il publiait avec son étudiant Ralph Alpher à propos de l’origine de l’univers, uniquement pour avoir « Alpher Bethe Gamow » comme auteurs (Alpha Bêta Gamma).

Pour conclure cette histoire, je précise que la force de Coriolis n’a rien à voir dans le sens de mastication du bétail (ni dans le sens de rotation de l’eau dans le robinet !). La force de Coriolis n’est en fait pas une force (tout comme la force centrifuge) mais un effet inertiel dû à la rotation du référentiel. En clair, si on prend la Terre comme référentiel, la force de Coriolis est un effet qui se manifeste sur les gros objets (comme les mouvements de l’atmosphère et les gros ouragans – bien plus gros qu’une vache donc) du fait de la rotation de la Terre. L’axe de cette force est toujours perpendiculaire à l’axe de rotation du référentiel ainsi que la vitesse relative de l’objet considéré dans le référentiel en rotation.

Pour ceux qui se demandent d’où cette force vient mathématiquement, en fait on ne peut appliquer le principe fondamental de la dynamique (ou deuxième loi de Newton) que dans un référentiel galiléen. Si on considère un référentiel non galiléen (comme un référentiel en translation) il faut alors ajouter un terme, qui correspond à la force de Coriolis.

Le point de Poisson

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Je n’ai pas pu m’empêcher de vous raconter cette histoire, bien qu’il ne s’agisse pas à proprement parler d’animaux. Et non, ici, Poisson, c’est le nom du physicien !

J’ai déjà eu l’occasion d’évoquer l’histoire de la conception physique de la lumière dans le billet sur les équations de Maxwell. Revenons à l’époque où c’est la théorie corpusculaire de Newton qui s’était imposée. Il restait néanmoins un certain nombre de phénomènes à expliquer, si bien qu’en 1818 l’Académie des Sciences proposa un concours visant à expliquer certains phénomènes paradoxaux. Un jeune ingénieur, Augustin Fresnel, participa au concours, et bâtit toute une théorie ondulatoire de la lumière, qui fit frémir le jury alors corpusculiste. L’un des membres du jury, Siméon Denis Poisson, pensa avoir trouvé la faille de la théorie de Fresnel.

En effet, selon Fresnel (qui formalise alors le phénomène de diffraction), si on éclaire un petit objet exactement circulaire, il devrait se former un point de lumière au centre de l’ombre projetée par le disque. Pour Poisson, l’ombre devrait être un véritable disque.

L’expérience fut réalisée par François Arago, grand astronome français et futur premier ministre, pour voir qui de Fresnel ou de Poisson avait raison. Et, je vous le donne en mille, Arago parvint à observer la fameuse tache, qui donna raison à Fresnel. La tache s’appelle désormais la tache de Fresnel… ou le point de Poisson ! (Poisson spot en anglais).

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Un joli exemple qui nous rappelle que la lumière n’est pas qu’un simple rayon lumineux, et est régie dans certaines conditions par un certain nombre de phénomènes complexes mettant en évidence son caractère ondulatoire.

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Simulation numérique de la figure d’interférence observée avec un anneau circulaire de 2 mm (et une source de lumière monochromatique)

Bonus : le lézard Jésus

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Et enfin, je finis par une petite vidéo anecdotique sur un animal, dit « lézard Jésus », sans aucune référence à un physicien. Néanmoins ce lézard marchant sur l’eau est assez improbable, du coup on peut finir là-dessus !

Je précise que le phénomène de tension de surface, contrairement à ce qu’on pourrait croire, n’intervient pas dans la capacité du lézard à marcher sur l’eau. « Basiliscus plumifrons » de son nom scientifique, a en fait des sortes de petites palmes qui se déploient quand il court (avec deux pattes). Comme il est très léger et que la surface de contact avec l’eau est très grande, cela lui permet d’avoir une énergie suffisante pour ne pas s’enfoncer directement dans l’eau, puis un déplacement dit « coup de rame » lui permet d’avancer. Ce sont ces impulsions vers le bas qui lui permettent de courir jusqu’à une vitesse d’une dizaine de kilomètres à l’heure. Il se sert également de sa queue pour faire contrepoids. C’est donc une capacité morphologique plus que physique !

(La tension superficielle est le phénomène d’interface qui tend à minimiser la surface de contact entre deux fluides. Une force – dite de surface – s’exerce alors et assure à l’interface une grande cohésion entre les molécules : c’est ce qui explique que l’eau forme des gouttes par exemple, ou que les insectes peuvent marcher sur l’eau.)

Conclusion

J’espère que ce billet vous a plu ! À travers quelques anecdotes pas toujours très connues on a réussi à évoquer un certain nombre de phénomènes et de découvertes de la physique : le formalisme quantique et la superposition des états via le chat de Schrödinger, l’antimatière via les moutons de Dirac, la pile voltaïque via la grenouille de Galvani, la force de Coriolis via les vaches de Gamow, la diffraction et les interférences via le point de Poisson, la tension superficielle via le lézard Jésus. C’est pas mal !

Références

Le monde selon Etienne Klein, Editions des Equateurs, 2014.
Einstein’s Mirror par Anthony J. G. Hey, Patrick Walters, 1997.
George Gamow, The Whimsical Mind Behind the Big Bang, par Beverly Orndorff, 2013.

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