Des phénomènes physiques dans la cuisine (Partie II)

Aujourd’hui, comme promis, nous faisons suite à l’article de la semaine dernière qui expliquait comment la température et la pression pouvaient jouer sur la dilatation et le changement de forme d’un objet. Nous te proposons aujourd’hui, une petite série d’applications de ces phénomènes. On va  donc repasser en cuisine car notre …
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LisezLaScience – HS-5 – Quelques livres pour découvrir la science lors de Lyon Science 2015

Quand on s’intéresse à la science, avoir des ouvrages de référence est toujours intéressant, soit pour y découvrir un sujet qui nous intéresserait, soit pour y trouver les sources nécessaires quand on a des interrogations. Afin de remplir ce vide, LisezLaScience se propose de vous fournir régulièrement des idées de livres à lire et cette…

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Des phénomènes physiques dans la cuisine (Partie I)

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aliencuisinier
Et oui, place aux activités dans la cuisine pour découvrir quelques phénomènes physiques qui se cachent dans la cuisson des aliments. On va parler de casseroles, de bouteilles de lait, de pop-corn, de cocotte minute, de ballons et même de balle de ping-pong ! En voilà, un beau programme, n’est-ce …
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Matière Noire et Energie Noire : de purs et simples produits de la Relativité Générale ?

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champs linéarise le corre
La Relativité Générale a été une véritable révolution scientifique. Nous fêtons cette année le centenaire de cette grande théorie d’Albert Einstein. Cette théorie, qui a été validée des millions de fois depuis 100 ans nous a permis de voir le monde autrement, en nous montrant un Univers espace-temps modelé par la masse qu’il contient.
Aujourd’hui plus que jamais, la Relativité Générale est la théorie physique la plus fondamentale. Mais la Relativité Générale ne pourrait-elle pas aujourd’hui être à la source d’une nouvelle révolution scientifique ?  C’est ce qui pourrait peut-être arriver si l’on en croit un chercheur non professionnel français qui vient de rendre public simultanément, dans la plus grande discrétion, deux gros articles assez incroyables.

Equation du champ après linéarisation (Le Corre)
Stéphane Le Corre, c’est son nom, propose dans ses deux articles théoriques, en le démontrant très sérieusement et de manière très documentée, que l’existence d’une apparente masse manquante, que l’on a pris l’habitude d’appeler la matière noire, matière toujours totalement inconnue aujourd’hui, et l’accélération de l’expansion cosmique, que l’on attribue aujourd’hui à une énergie noire, énergie tout autant inconnue, ne seraient ni plus ni moins que des phénomènes tout à fait naturels, qui peuvent se déduire d’une propriété de la gravitation issue de la Relativité Générale.
Le point de départ du développement de Le Corre consiste à utiliser  une approximation des équations de la Relativité Générale, ce qu’on appelle une linéarisation des équations. Il s’agit d’une approximation de la Relativité Générale comme peut l’être la théorie de Newton, mais qui se trouve bien moins approximée que cette dernière. 
La linéarisation des équations de la Relativité Générale produit un fait marquant : elle fait apparaître clairement un terme gravitomagnétique, et les équations obtenues se trouvent être très semblables à celles des équations de Maxwell de l’électromagnétisme. Le champ gravitomagnétique (ou champ gravitique comme l’appelle l’auteur de ces travaux) qui apparaît dans les équations, arrive tout à fait naturellement, il n’est pas un ajout ad hoc. 

Les masses apparaissent ainsi similaires aux charges électriques de l’électromagnétisme, le champ gravitationnel agit entre les masses comme le champ électrique entre les charges et un champ gravitique apparaît lorsque des masses se meuvent dans l’espace, tout comme apparaît le champ magnétique quand des charges électriques sont en mouvement. 
Et, de la même façon que les charges électriques subissent une force dans un champ magnétique, qui va modifier leur trajectoire, les masses subissent, en plus de la force de gravitation “classique” une seconde force liée au champ gravitique
Cette linéarisation des équations de la Relativité Générale possède un domaine de validité pour les faibles vitesses et les champs gravitationnels faibles. C’est justement le cas pour le mouvement des galaxies dans leur zone externe. Stéphane Le Corre repart justement de l’origine des observations qui ont mené à l’idée de la présence d’une matière non visible dans les galaxies à la fin des années 60 (grâce notamment à Vera Rubin) : les courbes de rotation des galaxies. 
Courbes de rotation de galaxies spirales (vitesse de rotation en fonction de la distance du centre galactique)   (Sofue & Rubin, 2001)
Il montre à partir d’un panel de courbes de rotations de différentes galaxies que la prise en compte du champ gravitique permet d’expliquer complètement la forme des courbes de rotation à longue distance, sans avoir besoin de supposer la présence d’une matière noire additionnelle. Le champ gravitique peut d’ailleurs se décomposer en une contribution interne aux galaxies et une composante externe. La composante interne décroit très vite avec la distance du centre galactique. Ne reste au-delà de 50 000 années-lumière du centre des galaxies que la composante externe : un champ gravitique faible et constant qui serait le champ gravitique de l’amas dans lequel se trouve la galaxie en question. Ce serait ainsi selon Le Corre cette composante qui serait la principale responsable de la forme anormale des courbes de rotation des galaxies, qui nous a incités à penser à la présence de matière supplémentaire non visible. La seule hypothèse que fait Stéphane Le Corre est ici que les galaxies doivent se trouver au sein d’amas de galaxies, or c’est ce qui est observé dans la très grande majorité des cas. Il n’existe pas ou très peu de galaxies isolées.
La similitude des équations développées par Stéphane Le Corre entre gravitation et électromagnétisme est frappante, et revêt une élégance certaine. Le titre de l’article n’en est pas moins raffiné : Dark Matter, a new proof of the predictive power of General Relativity (la “matière noire”, une nouvelle preuve du pouvoir prédictif de la Relativité Générale).
Et l’existence d’un champ gravitique à des conséquences qui vont au-delà de la distribution des vitesses des étoiles au sein des galaxies : il induit également une certaine répartition des galaxies satellites autour des grosses galaxies, qui devraient se distribuer en un vaste disque. Or il existe déjà des indices observationnels de telles répartitions de galaxies satellites, par exemple autour de la galaxie d’Andromède
Concernant l’explication de l’accélération de l’expansion, que Stéphane Le Corre développe dans son second article au titre très proche du premier, où c’est l’énergie noire qui apporte une nouvelle preuve de la puissance prédictive de la théorie einsteinienne, une hypothèse un peu plus spéculative est faite pour soutenir la démonstration, toujours fondée sur les effets du champ gravitique. Mais cette fois c’est l’antimatière qui joue un rôle particulier, car l’hypothèse faite est que l’antimatière possède une masse gravitationnelle négative et qu’il existe alors une interaction répulsive entre matière et antimatière (la masse inertielle, elle, reste toujours positive). Il faut préciser tout de suite que la masse gravitationnelle est ce qui produit le champ gravitationnel et la masse inertielle ce qui subit le champ gravitationnel. Le parallèle avec l’électromagnétisme est d’ailleurs sous-jacent, où les charges électriques existent avec les deux signes. En considérant l’existence possible de masses négatives, l’expression du terme incluant le champ gravitique dans les équations relativistes devient négative et peut être assimilé au terme L de constante cosmologique produisant une accélération de l’expansion. 

En fait, l’introduction d’une masse gravitationnelle négative pour les antiparticules en plus de l’existence d’un champ gravitomagnétique permet de fournir une solution non seulement à l’accélération de l’expansion, mais aussi au problème de l’absence d’antimatière, tout en préservant l’existence d’une phase inflationnaire dans l’Univers primordial. L’idée de Le Corre est que, du fait de la répulsion gravitationnelle inhérente entre particules et antiparticules, ces dernières ont subi une ségrégation très tôt dans l’histoire de l’Univers, créant de fait des “univers” séparés, les uns faits de matière et les autres d’antimatière. Notre univers de matière serait ainsi entouré de plusieurs univers d’antimatière, à la manière d’un réseau d’atomes. Or chaque univers avec sa masse propre produit un champ gravitationnel, ainsi qu’un champ gravitique constant non négligeable, qui bien sûr va agir sur les univers voisins (c’est la seconde hypothèse de cette théorie)… Notre univers de matière aurait alors pour plus proches voisins des univers d’antimatière.
Schéma de la distribution d’”unvivers” de matière et d’antimatière qui agissent
les uns sur les autres, telle que proposée par l’auteur.
Le Corre fait les calculs au premier ordre en considérant 8 univers d’antimatière entourant notre univers, avec chacun une densité strictement opposée à la densité de notre univers. Et ce qu’il trouve est troublant.  Il calcule quelle devrait être la vitesse d’expansion à la frontière entre univers voisins à partir de la valeur du paramètre WL mesuré par le satellite Planck (et qui vaut 0,7), associé à la constante cosmologique (qui est directement associée au champ gravitique dans la solution de Le Corre). La vitesse obtenue vaut 0,5 c, ce qui est tout à fait cohérent avec les observations aux plus grandes échelles.
En outre, à partir de ces mêmes calculs et avec cette valeur de vitesse, Stéphane Le Corre peut donner une valeur numérique à la valeur du terme de constante cosmologique L, il obtient : 1,4 10-52 m-2, toujours avec 8 univers d’antimatière voisins. Cette valeur de L est tout à fait dans l’ordre de grandeur de ce qui est observé aujourd’hui (10-52 m-2)…
L’hypothèse essentielle de toute cette démonstration est l’existence d’une masse gravitationnelle pouvant être négative, associée à une masse inertielle devant toujours être positive. Le Corre démontre comment une telle masse négative est tout à fait cohérente, à la fois dans la gravitation Newtonienne et dans la Relativité Générale. Ces théories le permettent. Stéphane Le Corre fait à nouveau la correspondance entre électromagnétisme et Relativité Générale Linéarisée pour montrer qu’à la conjugaison des charges entre particules et antiparticules est naturellement associée une conjugaison des masses. Ce point est la clé de voûte de la solution proposée, et il se trouve que c’est un phénomène testable expérimentalement. Il existe d’ailleurs déjà plusieurs expériences, notamment au CERN qui tentent de déterminer si des atomes d’antihydrogène sont attirés ou repoussés dans un champ gravitationnel de matière ordinaire (expériences AEgIS, GBAR ou ALPHA par exemple, qui n’ont pas encore des résultats suffisamment précis pour trancher dans une sens ou dans l’autre).
La conséquence du fait que les particules auraient forcément une masse gravitationnelle opposée à celle de leur antiparticule est qu’aucune particule ne pourrait être identique à son antiparticuleles particules de Majorana n’existeraient tout simplement pas, alors que c’était envisagé pour les neutrinos, qui n’ont pas de charge électrique mais une toute petite masse. Or il existe des expériences qui tentent de mettre en évidence l’existence de tels neutrinos de Majorana (expériences GERDA, NEMO ou MAJORANA par exemple). L’absence de résultats positifs pour ces expériences conforterait alors la solution proposée par le chercheur français. 
Pour résumer, Stéphane Le Corre parvient à expliquer le comportement attribué à la matière noire et à l’énergie noire, uniquement par une propriété cachée de la gravitation qui existe en Relativité Générale : la présence d’un champ gravitique, très similaire au champ magnétique en électromagnétisme, et qui produit une force par le mouvement des masses dans l’espace-temps. Ce champ agirait à l’échelle des amas de galaxie pour la matière noire, et à l’échelle de l’Univers concernant  l’énergie noire. La grande force de cette théorie est qu’elle n’introduit que très peu d’hypothèses. L’hypothèse la plus forte est l’existence d’une masse négative pour l’antimatière. Et la bonne nouvelle est que cette théorie est à la fois prédictive et testable.
Ces deux articles publiés en pré-print de manière assez confidentielle sur le site des archives ouvertes du CNRS méritent vraiment de s’y attarder, tant les solutions proposées sont séduisantes et rendent à nouveau à la Relativité Générale toute sa grandeur, peut-être même en font la théorie ultime qui pourrait bien nous réserver encore des surprises en résolvant naturellement les plus grandes énigmes cosmologiques actuelles…
Références :
Stéphane Le Corre. Dark matter, a new proof of the predictive power of general relativity. 2015. <hal-01108544v3>
Stéphane Le Corre. Dark energy, a new proof of the predictive power of general relativity. 2015. <ensl-01122689>
http://drericsimon.blogspot.com
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La sélection scientifique de la semaine (numéro 162)

– L’illustratrice Héloïse Chochois a vécu quatre mois au Laboratoire de physique des solides avec des physiciens, chercheurs, étudiants, thésards… Cela donne la BD Infiltrée chez les physiciens, dont la publication en ligne a commencé cette semaine. – Un nouveau blog dans … Continuer la lecture

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La théorie des cordes

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Nouvelle vidéo, avec un gros morceau qui m’a demandé pas mal de boulot ! Pour ceux qui ont encore faim, quelques précisions en vrac pour compléter cette vidéo qui forcément n’aborde le sujet que de manière superficielle. Tout d’abord, j’ai sciemment décidé de faire une présentation respectant un ordre logique plutôt que chronologique. Ce qui […]

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Seule la Terre connaît les saisons ?

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Obliquité des planètes
Les saisons terrestres Pour répondre à cette question, il faut déjà comprendre d’où viennent les saisons sur la Terre. Je laisse la parole à Kezako qui explique bien le phénomène en moins de cinq minutes (clique sur le bouton « CC » pour activer le sous-titrage français). En résumé, le rythme des saisons est imputable à deux […]
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La sélection scientifique de la semaine (numéro 161)

– La Commission européenne va devoir se prononcer sur le maintien de l’expérimentation animale dans l’UE. – Et puisqu’on parle de l’Europe, les conséquences sanitaires des perturbateurs endocriniens lui coûtent chaque année plus de 150 milliards d’euros. – Un reportage … Continuer la lecture

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La lumière (enfin) vue dans tous ses états

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87545_web.jpg Qu’est-ce que la lumière ? Une onde, selon certains. Une particule, selon d’autres. Le débat a fait rage pendant de nombreuses années jusqu’à ce que la science réconcilie les théories : la lumière est, en fait, à la fois une particule (le photon) et une onde (faites passer un faisceau de lumière au travers de deux fentes, et vous verrez les raies d’interférences caractéristiques d’une onde lumineuse). Ce que l’on nomme la dualité onde-particule est donc désormais bien comprise par les physiciens. Mais entre savoir et voir, il y a souvent un grand pas. Celui-ci vient d’être franchi grâce aux travaux d’une équipe internationale autour de scientifiques de l’école polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse), qui vient de capturer pour la première fois une image de la lumière se manifestant simultanément sous forme d’onde et de particule. Jusqu’ici, on avait pu observer séparément les deux aspects de la lumière, photons et ondes. Mais l’exploit qui vient d’être réalisé par les chercheurs Suisses est d’avoir conçu une expérience permettant d’immortaliser sur image cette dualité. Mais comment réussir à photographier la lumière elle-même ? C’est là qu’intervient l’originalité de cette expérience, décrite sur le site de l’EPFL : “L’expérience se déroule de la manière suivante: une impulsion laser est envoyée sur un minuscule nano-fil métallique. Le laser ajoute de l’énergie aux particules chargées dans le nano-fil, ce qui les fait vibrer. La lumière voyage le long du minuscule fil dans deux directions possibles, comme des voitures sur une autoroute. Lorsque les ondes voyageant dans des directions opposées se rencontrent, elles forment une nouvelle onde, qui paraît rester immobile. Cette onde stationnaire devient une source de lumière et rayonne le long du fil.” “C’est ici qu’intervient l’astuce de l’expérience: les scientifiques envoient un flux d’électrons à proximité du nano-fil, en les utilisant pour photographier l’onde de lumière stationnaire. Lorsque les électrons interagissent avec la lumière confinée du nano-fil, certains accélèrent, d’autres ralentissent. En utilisant un microscope ultrarapide pour photographier l’endroit où ce changement de vitesse avait lieu, l’équipe de Carbone a pu alors visualiser l’onde stationnaire, qui signe la nature ondulatoire de la lumière.” “Mais tandis que ce phénomène montre la nature d’onde de la lumière, il démontre aussi, en même temps, sa nature de particule. En effet, lorsque les électrons passent à proximité de l’onde stationnaire, ils «frappent» les particules de lumière, les photons. Comme mentionné plus haut, ceci affecte leur vitesse, les faisant se déplacer plus vite ou plus lentement. Ce changement de vitesse apparaît comme un échange de «paquets» d’énergie (quanta) entre les électrons et les photons. L’existence même de ces paquets d’énergie montre que la lumière se comporte comme une particule.” Mais cette expérience va au-delà de la seule manifestation de la dualité onde-particule de la lumière : elle pourrait permettre des avancées technologiques pour les futurs ordinateurs quantiques. “L’expérience démontre pour la toute première fois que l’on peut filmer directement la mécanique quantique – et sa nature paradoxale”, explique Fabrizio Carbone, qui a dirigé l’étude. Pour lui, “être en mesure de photographier et de contrôler des phénomènes quantiques à l’échelle nanométrique ouvre de nouvelles perspectives vers l’informatique quantique.” Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Nature Communications Crédit photo : La lumière “prise sur le vif”, avec la manifestation de ses particules (couche du bas) et d’ondes lumineuses (couche du haut). (Fabrizio Carbone/EPFL) Continue reading