Quoi de neuf en physique ? (09/08)

1er  septembre 2008 | par Jean Zin


-  Plus rapide que la lumière
-  Dans une bulle plus rapide que la lumière : le moteur à distorsion
-  Non localité ou signaux 10000 fois plus rapides que la lumière ?
-  Intrication quantique, nouvelles questions
-  A la frontière du classique et du quantique : les états cohérents
-  L’antimatière peut "rebondir" sur la matière
-  Le Tevatron sur la voie du boson de Higgs avant le LHC
-  Qu’attendre du LHC ?

-  Une mesure directe de l’expansion
-  Mesure de la matière sombre dans une collision d’amas de galaxies
-  Découverte du plus massif amas de galaxies de l’Univers connu
-  Des plus vieilles aux plus jeunes étoiles
-  Des images de Hubble pour sa 100 000ème
-  Les trous noirs plus créateurs que destructeurs
-  Le Système Solaire : une exception dans la Galaxie ?
-  Exploser la Lune pour y trouver de l’eau

-  Le noyau terrestre oscille mais ne tourne pas
-  La carte géologique de la Terre sur internet
-  Un volcan encore actif en France sous le Lac Pavin


Brèves du mois : physique - climat - biologie - santé - technologies

Revue des sciences 09/08



cosmologie, astronomie, physique quantique



- Plus rapide que la lumière

On sait que la déviation d'un faisceau lumineux éclairant la Lune à partir de la Terre se déplace plus vite que la vitesse de la lumière à la surface de la Lune, sans que la lumière elle-même dépasse la vitesse limite, ce qui faisait penser qu'on ne pouvait pas envoyer d'information plus vite que cette vitesse sauf, justement, à utiliser le déplacement de la lumière pour transmettre l'information... Je n'ai pas compris comment les chercheurs comptaient s'y prendre sinon que c'est à base de noanosphères métalliques servant de guide d'onde (plasmons). La vitesse pourrait atteindre 2,5 fois la vitesse de la lumière !

Théorie développée au Department de Bioengineering de l'University of Pennsylvania par le post-doc Alexander Govyadinov et Vadim Markel, assistant professeur : Physical Review B “From slow to superluminal propagation: Dispersive properties of surface plasmon polaritons in linear chains of metallic nanospheroids” (Volume 78, Number 3, Article 035403, July 15, 2008).

Nous étudions la propagation de polaritons plasmoniques dans des chaînes linéaires périodiques (LPCs) de sphéroïdes métalliques. Nous montrons que leur vitesse peut être efficacement contrôlée par une variation de leur sphéricité.

The dependence of the dispersion curves on the spheroid aspect ratio leads to a number of interesting effects. In particular, bandwidth of SPPs that can propagate in an LPC can be substantially increased by utilizing prolate or oblate spheroids. When q is close to a critical value, (...) the decay length of the SPPs is dramatically increased. In addition, the dispersion curves acquire a very large positive or negative slope. This can be used to achieve superluminal group velocity for realistic chain parameters. We demonstrate superluminal propagation of Gaussian wave packets in numerical simulations. Both theory and simulations are based on Maxwell equations with account of retardation and, therefore, are fully relativistic.

- Dans une bulle plus rapide que la lumière: le moteur à distorsion

De quoi faire gamberger même si cela n'a rien de réalisable : le "moteur à distorsion" permettrait d'aller plus vite que la lumière sans bouger mais en faisant bouger l'espace grâce à des bulles d'inflation !

"Nous pensons que nous pouvons créer un moteur de distorsion, basé sur la relativité générale et la théorie des cordes," déclare Gerald Cleaver, co-auteur du papier qui est apparu sur ArXiv.org en prépublication.

Le moteur à distorsion est basé sur une conception datant de 1994 proposée initialement par Michael Alcubierre. Le "moteur Alcubierre" implique de comprimer le tissu de l'espace-temps devant un vaisseau et de l'étirer à l'arrière, créant une bulle dans laquelle reposerait ce dernier. L'astuce est que le vaisseau ne se déplacerait pas réellement: c'est l'espace qui se déplacerait autour du vaisseau spatial resté stationnaire.

Le tissu de l'espace s'est étendu plus rapidement que la vitesse de la lumière par le passé, indique Cleaver, juste après le Big Bang: "nous recréerions la période inflationniste de l'univers derrière le vaisseau".

Si la 11ème dimension pouvait être comprimée devant le vaisseau, elle créerait une bulle d'énergie noire, la même énergie qui engendre l'expansion de l'univers. Son étirement derrière lui ferait par la suite décroitre cette énergie.

Tandis que les défis pour créer un moteur à distorsion sont tout à fait énormes, le concept est intéressant, selon le physicien théorique Lawrence Ford de la Tufts University. "Si il existe des dimensions supplémentaires, et que nous pouvons les manipuler, cela ouvre toutes sortes de possibilités passionnantes", indique-t-il. "Je n'entend pas la création immédiate d'un moteur à distorsion, cela pourrait aboutir à d'autres possibilités intéressantes dans la recherche scientifique fondamentale".

- Non localité ou signaux 10000 fois plus rapides que la lumière ?

En fait il s'agit dune expérience, inspirée de John Bell, qui tente de tester l'existence d'un référentiel absolu, en contradiction avec la relativité, mais qui établit que s'il y a des particules échangées entre particules intriquées leur vitesse devrait être plus de 10 000 fois plus rapide que la lumière.

Ne pourrait-il pas exister, au fond, une sorte de référentiel absolu, un peu comme dans la physique de Newton pré-relativiste, où une sorte de dynamique sub-quantique prendrait place avec certaines interactions pouvant effectivement se déplacer plus vite que la lumière ?

C'est dans ce cadre que l'on peut replacer les travaux du groupe de Nicolas Gisin à l'Université de Genève. Utilisant les fibres optiques du réseau de Swisscom s'étendant sur 18 km entre Satigny et Jussy dans la région de Genève, les physiciens ont réalisé une expérience de type EPR avec des paires de photons intriquées. En profitant de la rotation de la Terre sur une période de 24 h, il est alors possible de tester des théories reposant sur l'existence d'une sorte de référentiel absolu, un éther en quel que sorte, par rapport auquel la Terre ne se déplacerait pas avec une vitesse supérieure à un millième de celle de la lumière.

La conclusion des chercheurs est la suivante comme ils l'expliquent dans Nature : si un tel référentiel absolu existait, la vitesse des interactions entre particules intriquées devrait être au moins 10000 fois plus rapide que la lumière pour expliquer les corrélations quantiques bizarres se manifestant avec le phénomène de non-localité observé.

- Intrication quantique, nouvelles questions

En fait, je n'ai rien compris, sinon que certaines mesures, dites faibles, ne produiraient pas un effondrement de la fonction d'onde et ne permettraient donc pas de déterminer l'état d'une particule liée à une autre, laissant ouvertes les probabilités.

Selon une interprétation de la mesure en mécanique quantique proposée il y a quelques années par Yakir Aharonov , il existerait des mesures dites faibles où l'effondrement du vecteur d'état n'est pas vraiment complet. Un chat de Schrödinger « mort » pourrait donc être d'une certaine façon ressuscité dans un état à la fois mort et vivant si l'on s'y prend bien.

Cette théorie viendrait d'être testée avec des qubits par Nadav Katz de l'Université de Santa Barbara et elle semble effectivement être correcte. Les résultats des expériences ont été publiés sur arXiv et la communauté des physiciens va devoir maintenant se pencher sur ces derniers.

par ailleurs, l'intrication a été de nouveau vérifiée sur une distance de 9 km.

- A la frontière du classique et du quantique : les états cohérents

Rien compris non plus, sinon que c'est un pas vers l'ordinateur quantique et la compréhension de la frontière entre physique quantique et physique classique...

En utilisant un circuit électronique supraconducteur capable de simuler un atome artificiel avec deux états d'énergie pour créer un qubit, des physiciens du groupe de recherche dirigé par John Martinis sont parvenus à contrôler la création de photons un à un dans des états de Fock. En se servant de ce dispositif, ils ont pompé 6 photons dans une cavité résonnante supraconductrice. Inversement, grâce à ce dispositif, un état cohérent présent dans la cavité, et qui semblait donc classique en première approximation, a pu être finement analysé et le caractère essentiellement discret de ce dernier, c'est-à-dire composé d'une somme discrète d'états de Fock, a été observé. Ce genre d'expérience, à la frontière du classique et du quantique, qui intervient souvent lorsque l'on considère un grand nombre de quanta, conformément au principe de correspondance de Bohr faisant intervenir des grands nombres quantiques, nous donne des informations sur la façon de s'y prendre pour créer des ordinateurs quantiques.

- L'antimatière peut "rebondir" sur la matière

L'antimatière interagit moins avec la matière que nous ne le pensions, elle peut "rebondir" dessus, ce qui pourrait changer notre compréhension dans la répartition de la matière et de l'antimatière dans l'Univers.

Dans leur expérience, les chercheurs italiens ont créé un faisceau d'antiprotons en utilisant le "Low Energy Antiproton Ring" du CERN. Le faisceau a été dirigé sur un cylindre d'aluminium rempli d'hélium, d'hydrogène ou de deutérium. Comme prévu, beaucoup des antiprotons sont entrés en contact avec la matière du cylindre et se sont annihilés immédiatement. Néanmoins, certaines de ces antiparticules ont rebondi sur la matière sans s'annihiler.

Dans ce type d'évènements, il y a en général trois possibilités: les particules peuvent se "rater", peuvent entrer en collision et générer une grande quantité d'énergie, ou peuvent former une structure atomique exotique matière-antimatière appelé protonium.

Mais quelle est la fréquence des collisions ? Les recherches ont montré qu'elles sont moins fréquentes que prévu. Dans l'expérience, quelques 30% des antiprotons ont survécu pendant plusieurs microsecondes avant d'être annihilés.

Selon Igor Bray, du Center for Antimatter-Matter Studies de l'Université de Technologie Curtin à Perth en Australie, cette expérience à des implications sur notre compréhension de la dissymétrie matière-antimatière dans l'Univers. Les physiciens n'arrivent en effet pas à expliquer pourquoi notre univers est apparemment riche en matière alors que selon nos connaissances en physique fondamentale, les deux formes matière et antimatière devraient exister en proportion égale. Mais cette expérience montre que le problème peut provenir d'une mauvaise compréhension de l'interaction matière-antimatière, l'annihilation pouvant ne pas être immédiate ou systématique.

- Le Tevatron sur la voie du boson de Higgs avant le LHC

Le boson de Higgs n'est qu'une pure hypothèse pour tenter d'expliquer, sans y parvenir d'ailleurs, l'inexplicable différence de masse des particules par une sorte de résistance du vide résultant d'une brisure de symétrie d'un supposé champ de Higgs qui pourrait tenir lieu de texture de l'espace. En fait, ce "boson scalaire" (sans direction ni polarité, comme une pression) vise à unifier à plus haute température les forces électro-magnétiques qui peuvent agir à très grande distance avec les forces nucléaires faibles ou fortes mais il devrait s'appeler boson BEH (Brout-Englert-Higgs) et son champ pourrait être identique au champ de Brans-Dicke, autre pure invention sensée rendre compte de l'inflation cette fois...

Ici, il ne s'agit que d'une observation bien en amont, celle d'un quark top sans son antiparticule mais avec un autre quark (d'une autre "saveur"). Phénomène très rare mais dont l'observation sera utile pour détecter la désintégration d'un boson de Higgs, s'il existe !

Le savoir-faire acquis lors de ces expériences est important car certains canaux de désintégration du mythique boson de Higgs font justement intervenir la production d'un seul quark top. Les physiciens sont donc désormais mieux armés pour découvrir ce mythique boson qui expliquerait l'origine des masses des particules de l'Univers. Cela veut dire aussi que s'il existe, le boson de Higgs pourrait très bien être découvert prochainement au Tevatron et pas au LHC.

- Qu'attendre du LHC ?

Le 10 septembre 2008, les premiers faisceaux de protons parcourront les 27 kilomètres de circonférence du LHC. Il y a peu de temps, 500 jeunes scientifiques ont été invités à rencontrer sur le bord du lac Constance plusieurs prix Nobel. A cette occasion, certains d'entre eux ont fait part de ce qu'ils pensaient au sujet des révélations qu'apportera peut-être cette incroyable machine.

Je pense que la nature est plus intelligente que les physiciens. Nous devrions avoir le courage de dire : "Que la nature nous dise ce qui se passe". Notre expérience du passé a démontré que dans le monde de l'infiniment petit, il est extrêmement stupide de prédire la nature de la prochaine découverte physique et d'où elle viendra. De multiples façons, ce monde nous surprendra toujours. (Carlo Rubbia)

"j'attends la découverte de la supersymétrie au LHC, et cette énorme découverte, si elle se produit, ouvrira un nouveau monde - un "super monde". Son exploration occupera le LHC pendant vingt ans et cela nous aidera à comprendre certains des problèmes les plus profonds concernant la structure de la matière et la physique des particules élémentaires et même au-delà. La supersymétrie n'est pas seulement une belle idée spéculative, elle est fortement supportée par trois prédictions que l'on peut explorer expérimentalement avec la gamme d'énergie accessible au LHC : l'unification des forces, la hiérarchie des masses des particules et l'existence de la matière noire". (David Gross)


- Une mesure directe de l'expansion

On appelle une mesure directe de l'énergie sombre le fait d'avoir mesuré le gain d'énergie d'un photon traversant une galaxie en expansion !

On sait que l'on gagne de l'énergie potentielle gravitationnelle lorsque l'on gravit par exemple une côte ; de façon analogue, un photon acquiert de l'énergie quand il se trouve confronté au saut énorme de gravité que représente un super amas. Mais on pourrait penser que le photon perde cette même énergie quand il s'échappe de l'autre côté de l'amas. Cependant, si le super amas est en expansion pendant que le photon le traverse, ce dernier percevra une modification moindre de gravité quand il partira que lorsqu'il est entré. En d'autres termes, le photon gardera un témoignage de cette énergie supplémentaire.

Un consensus semble s'orienter en faveur d'une "constante cosmologique" se manifestant comme une énergie du vide, bien qu'il y ait plusieurs autres options. L'une d'elles est que la théorie de la relativité générale n'est pas à 100% complète et nécessite d'être "arrangée" pour expliquer l'accélération cosmique. L'effet ISW est particulièrement adapté pour tester de telles "théories de la gravitation modifiée" parce qu'il concerne particulièrement la force apparente de la gravitation à grande échelle.

- Mesure de la matière sombre dans une collision d'amas de galaxies

La collision en question a été observée par les télescopes Hubble et Chandra et l'image ci-dessus combine des données des deux observatoires spatiaux. Elle a séparé la matière ordinaire de la sombre et fournit un aperçu de ses propriétés.

La détection de la matière noire s'explique par la déformation des images des galaxies d'arrière-plan, sous l'effet du potentiel gravitationnel de l'amas (lentille gravitationnelle faible). L'observation de cet effet par Hubble permet de reconstruire le potentiel gravitationnel de l'amas. Concrètement, les astronomes ont mesuré la force de gravité nécessaire à cet effet en déduisant la distribution de la masse responsable de ces mirages. La masse de matière ordinaire présente dans cet amas est insuffisante pour expliquer ces déformations d'où la présence de matière noire.

Ce n'est donc que la mesure de ce qui manque, de ce qu'on ne voit pas ou de l'écart entre la théorie de la gravitation et l'observation (MOND : Modified Newton Dynamics), pas la preuve d'une existence, comme le prétend l'article, mais d'une incomplétude de notre représentation.

- Découverte du plus massif amas de galaxies de l'Univers connu

Le télescope spatial XMM-Newton fonctionnant dans le rayonnement X de l'Agence spatiale européenne (ESA) vient de découvrir l'amas de galaxies le plus massif connu dans l'Univers. Cette découverte confirme également l'existence de l'énergie sombre.

Cet amas se situe à quelque 7,7 milliards d'années de nous. Sa présence à cette distance n'est pas une surprise pour les astronomes, mais sa taille en est une. Une taille qui peut s'expliquer que par la présence d'énergie sombre. Cette découverte est très importante pour les cosmologistes qui ont toujours pensé que ce type d'objet très rare devait exister.

- Des plus vieilles aux plus jeunes étoiles

Plusieurs générations des étoiles peuvent être observées dans ce nouveau cliché infrarouge du télescope spatial Spitzer. Dans cette pépinière d'étoiles, appelée W5, les étoiles les plus anciennes sont les taches bleues aux centres des deux cavités (d'autres points bleus sont des étoiles de fond ou de premier plan non associées à la région). De plus jeunes étoiles tapissent les rebords des cavités, comme les taches roses situées aux bouts des piliers en forme de trompe d'éléphant. De plus jeunes étoiles se forment dans des zones blanches inextricables. Les endroits de couleur rouge représentent des secteurs où la poussière échauffée infiltre les cavités, ceux de couleur verte sont des régions de nuages denses.

- Des images de Hubble pour sa 100 000ème

Un trou noir actif au coeur d'une galaxie géante :

- Les trous noirs plus créateurs que destructeurs

Les trous noirs sont des créateurs de galaxie et ce n'est donc pas un hasard qu'on trouve des trous noirs supermassifs au coeur de chaque galaxie car ils ne font pas qu'absorber la matière, ils favorisent la création d'étoiles massives, ce qu'établit une nouvelle simulation mais que l'observation confirme depuis longtemps.

Auparavant, les chercheurs pensaient que les forces gravitionnelles d'un trou noir disloqueraient quelque chose d'aussi fragile qu'un nuage de molécules avant qu'il ne puisse donner un quelconque objet stellaire. Mais cette nouvelle simulation contredit donc cette vision traditionnelle. Selon les auteurs, la zone entourant le trou noir central serait le théâtre d'une production stellaire régulière donnant naissance à des étoiles dont la durée de vie est très courte.

- Le Système Solaire : une exception dans la Galaxie ?

Notre Système Solaire serait une exception dans l'Univers si l'on en croit une simulation numérique très détaillée réalisée par un groupe d'astrophysiciens. Si cela se confirmait, malgré l'abondance d'exoplanètes présentes dans la Galaxie, l'apparition d'une vie complexe pourrait bien être une rareté, résolvant du coup le paradoxe de Fermi.

Si le disque contient une quantité importante de gaz, celui-ci force les planètes à se rapprocher de l'étoile centrale à cause des forces de frottement et les interactions gravitationnelles entre les planètes en formations deviennent fortes, de sorte que des phénomènes de résonance importants se produisent entre les orbites qui deviennent vite chaotiques et avec une forme elliptique marquée. C'est le scénario de gauche dans le schéma ci-dessus.

Si le disque contient assez peu de gaz, aucune planète d'une masse supérieure à celle de Neptune ne se forme mais les orbites sont néanmoins, là aussi, assez elliptiques et instables. C'est le scénario de droite sur le même schéma.

Le premier scénario reproduit assez bien les observations avec les exoplanètes mais cela implique donc que les estimations optimistes pour le nombre de civilisations extraterrestres en état de communiquer avec nous par radio dans la Galaxie doit être revu à la baisse. En effet, l'un des termes dans l'équation de Drake donnant la probabilité de formation d'une planète capable de permettre le développement d'une vie complexe, car située à bonne distance de son étoile et sur une orbite circulaire et stable, vient probablement de voir sa valeur chuter dramatiquement.

Une explication au paradoxe de Fermi ? Peut-être, en tout cas de même que les planètes avec un double coucher de Soleil sont probablement la règle et pas l'exception, notre planète doit elle aussi être très singulière dans la galaxie.

- Exploser la Lune pour y trouver de l'eau

On ne sait si c'est raisonnable mais pour s'assurer qu'il y a de l'eau sur la Lune, on envisage de faire s'écraser un satellite sur ses pôles. Il se pourrait qu'on dissipe ainsi une bonne part de l'eau disponible s'il y en a ?

Le but de Lunar CRater Observation and Sensing Satellite (LCROSS), qui sera lancé probablement entre Mai et Août 2009, est d'effectuer une mission kamikaze en s'écrasant, telle une météorite, sur la surface de la Lune. En fonçant à près de 9000 km/h dans un des cratères polaires, l'explosion produite par l'impact sera équivalente à celle de 900 kg de TNT et un panache d'éjectas devrait s'élever à 6km de hauteur pour retomber sur une zone circulaire de 40 km de rayon.

Même si le sol lunaire ne contient à cet endroit que 0,5% d'eau, celle-ci sera détectable dans les éjectas s'élevant au dessus de la surface lunaire comme le montre le schéma ci-dessus. Sous l'action du rayonnement solaire, l'eau émettra en effet dans l'infra-rouge proche et il y aura même une portion des molécules d'H20 qui seront dissociées par le rayonnement UV (Ultraviolet) pour donner des radicaux OH dont la présence sera trahie par l'émission d'une raie caractéristique à 308 nanomètres.

Voir article AgoraVox.

- Le noyau terrestre oscille mais ne tourne pas

Vue écorchée de l'intérieur de la Terre. A la frontière noyau/manteau, les différences latérales de température (tâches rouges et bleues) créent un vent thermique (ligne grise dans le noyau) qui font croître la graine plus vite dans l'hémisphère est (tâche rouge sur la graine). Le « double visage » de la graine est la signature sismique de ce mécanisme.

Selon les chercheurs, la rotation de la graine serait en réalité une oscillation, sans aucun déplacement moyen à long terme, causée par l'influence du manteau pendant des centaines de millions d'années. Ils suggèrent même qu'une sorte de couplage mécanique de la graine avec des ondes de torsion, une catégorie particulière de mouvements rapides dans le noyau liquide dont la période est de quelques dizaines d'années, est responsable de cette oscillation.

Le cyclone serait la partie visible d'une grande colonne de matière plongeant profondément dans le noyau, amenant de la matière froide jusqu'à l'hémisphère est de la graine. Cela y provoquerait une cristallisation plus rapide de l'alliage fer-nickel responsable en moyenne d'une croissance de quelques dixièmes de millimètres par an de la graine. Ce serait d'ailleurs ainsi que serait libérée l'énergie thermique responsable de la convection turbulente dans le noyau et qui entretient la génération du champ magnétique.

- La carte géologique de la Terre sur internet

79 organismes internationaux travaillent à la réalisation de la première carte géologique numérique du globe terrestre. Le projet, baptisé OneGeology, consiste à rendre ces données disponibles sur le web et à les actualiser régulièrement.

Pour l'instant les pays qui participent au projet OneGeology couvrent plus de 102 millions de kilomètres carrés soit 69% de la surface émergée de la Terre. Aujourd'hui, chacun peut consulter le site internet OneGeology afin d'accéder à des cartes géologiques du monde entier, en partant d'une vue générale de notre planète sur des cartes à grande échelle présentant des masses rocheuses situées dans des pays bien spécifiques

Les cartes géologiques visent principalement à renseigner sur les ressources naturelles renfermées par le sous-sol (eau, hydrocarbures, minéraux) et aident à pallier aux risques géologiques comme les séismes, les volcans ou le radon. Beaucoup d'économies sont en effet basées sur l'exploitation de ces ressources et la géologie est au cœur de nombreuses problématiques environnementales actuelles. L'enfouissement des déchets en est un exemple. OneGeology catalogue par conséquent des milliers de masses rocheuses en partant des plus anciennes, plus de 3 milliards d'années, jusqu'à celles qui sont actuellement en formation. Les résultats de plus de 170 études réalisées depuis le 19e siècle ont déjà été intégrés. L'échelle choisie est 1/1 000 000 mais le projet se veut pragmatique et accepte d'autres échelles.

Voir aussi actu-environnement.

- Un volcan encore actif en France sous le Lac Pavin

Célèbre lac d'Auvergne, le lac Pavin occupe ce que l'on appelle le cratère de maar d'un volcan dont la dernière éruption remonte à 6.700 ans environ. Mais certains chercheurs affirment qu'il a peut-être été le siège d'une activité volcanique il y a seulement 700 à 800 ans, ce qui en ferait un volcan actif. Et sa ressemblance avec le lac Nyos, de sinistre mémoire pour avoir causé près de deux mille morts, a conduit à l'étudier de plus près.



Brèves du mois : physique - climat - biologie - santé - technologies

Revue des sciences 09/08


Thématiques