Traqueur Stellaire

Henry Gee est un auteur anglais très peu connu en France. Paléontologue et biologiste de l’évolution, il occupe un poste d’éditeur senior de la prestigieuse revue scientifique Nature. Brillant vulgarisateur, il est l’auteur de nombreux ouvrages consacrés aux sciences, comme A Field Guide To Dinosaurs: The Essential Handbook For Travelers In The Mesozoic  (2003) ou encore Jacob’s Ladder: The History of the Human Genome (2004). Mais Gee n’est pas qu’un scientifique passionné. Ce tolkiéniste chevronné est également l’éditeur actuel de la revue Mallorn, publiée de la Tolkien Society, et l’auteur d’un improbable livre de vulgarisation scientifique tolkienien : The Science of Middle-Earth: Explaining The Science Behind The Greatest Fantasy Epic Ever Told ! (2004). Pour compléter le tableau, cet ancien claviériste de jazz est également l’auteur d’une trilogie de SF, « The Sigil », publiée chez ReAnimus Press (2012).

En tant qu’éditeur pour la revue Nature, les mauvaises langues diront qu’il ne lui fut pas très difficile de publier une de ses nouvelle dans l’excellente (et pourtant méconnue) rubrique de science-fiction « Futures » du journal britannique. D’autant plus qu’il édita en 2008 chez Tor Books une anthologie de cette rubrique, baptisée Futures from Nature. Cela peut en laisser sceptique plus d’un, je le conçois. Et pourtant, rien ne vaut la lecture de son « Sonic estate » [1] pour se convaincre qu’il eut été dommage de passer à côté de ce court texte de hard science, écrit au rythme du fracassant « Ace of Spades » de Motörhead.

Car « Sonic estate » est un excellent fragment de science-fiction comme Nature sait en publier. Courte et dynamique, cette nouvelle nous présente une jeune ingénieure, désormais retirée de la R&D après une relation professionnelle conflictuelle avec son ex-petit ami. Il ne faut jamais mélanger amours étudiants frustrés et start-up, comme notre scientifique chevronnée l’a appris à ses dépends. Ayant choisi de fuir sa boîte et cet homme, brisant au passage sa brillante carrière, elle calme désormais ses nerfs en rénovant sa maison au son de Motörhead. Mais elle ressasse sans cesse le passé et la genèse de sa merveilleuse découverte : la fusion sonique, délire hard rock de physicienne métalleuse, révolution énergétique d’une SF gravée dans les riffs. Hélas, le passé n’en a pas encore fini avec elle, et pourrait bien la rattraper plus vite que prévu… Court texte de rock SF, « Sonic estate » n’en reste pas moins très accrocheur, mélangeant flash-backs, références au monde de la recherche et final hallucinatoire, dans un pur délire rock ‘n roll. Physics sucks, baby, comme Lemmy en personne aurait pu l’écrire en guise de conclusion. Et encore un auteur scientifique anglo-saxon à suivre de près. Cela ne fait pour moi pas l’ombre d’un doute.

[1] “Sonic estate”, Henry Gee, Nature 496, 264 (11 April 2013). doi:10.1038/496264a

Le temps fait partie intégrante de notre quotidien. Nous en manquons, nous le prenons, nous courons après ; parfois il nous file entre les doigts, ou se rallonge en d’interminables minutes. Et pourtant, cette notion si familière est une des choses les plus déroutantes qu’il soit. Qu’est-ce que le temps en physique ? Comment pouvons-nous le décrire et quel est son mécanisme, alors qu’il nous est si subjectif et que son cours nous échappe irréversiblement ?

Professeur à l’Ecole Centrale, directeur du laboratoire de recherches sur les sciences de la matière du CEA, Etienne Klein est également docteur en philosophie des sciences. Auteur de nombreux essais scientifiques, notre physicien est un passionnant conférencier qui ne cesse de s’interroger sur la question du temps. C’est ce sujet en particulier, sur lequel il est intarissable, qui m’a permis de le rencontrer lors d’une conférence donnée à l’Université de Nantes voici plusieurs années. Mais c’est une autre histoire. Cette notion de temps en physique, donc, lui a inspiré plusieurs livres dont ce « facteur temps ne sonne jamais deux fois », dans lequel il pousse le lecteur à laisser de côté son intuition subjective pour s’interroger sur la différence entre cours du temps et flèche du temps, sans jamais s’affranchir du principe de causalité :

« Nous voudrions insister sur un point : dès lors que, dans toutes les théories physiques, le cours du temps est soumis au principe de causalité, il ne peut être qu’irréversible, au sens où un instant ne peut se « présenter » deux fois. Le facteur temps ne sonne jamais deux fois. Cette irréversibilité lui confère d’ailleurs un aspect tragique, au sens où elle n’est d’aucune façon compensable ou effaçable par la réversibilité de quelque mouvement que ce soit : si rapidement qu’on revienne à Paris après être allé à Chamonix, c’est irréversiblement que le temps a cependant passé au cours du trajet et qu’on se retrouve nécessairement plus âgé. Plus généralement, l’absence de flèche du temps n’empêche nullement les heures de défiler. Il y a quelque chose d’implacable, d’irrémédiable dans le cours du temps. Rien ne l’arrête. Pas même l’immobilité, ni l’invariance des choses. »

Cette causalité, qui suit le raisonnement d’Etienne Klein tout au long de cet ouvrage, lui est indissociable. Grâce à ce fil d’Ariane, il amène le lecteur à s’interroger sur la notion même du temps, entre débats de philosophes et considérations physiques, querelles opposant présentistes et éternalistes. Mais quel est alors le moteur du temps ?

« De même que la notion de température n’a aucun sens si l’on considère un système constitué d’un petit nombre de particules, de même il est probable que la notion d’écoulement du temps n’a de sens que pour certains systèmes complexes, qui évoluent hors de l’équilibre thermodynamique, et qui gèrent d’une certaine façon les informations accumulées dans leur mémoire. [1] »

Cette question du temps, entre permanence et devenir, nous entraîne à en comparer deux interprétations : l’une mécaniste, sous-entendant une réversibilité du temps à l’image du mouvement d’un pendule ; et l’autre entropique, irréversible de part sa nature. Mais comment discerner les deux, et laquelle correspond à une vérité physique du temps ? Comme l’écrivait Einstein, quiconque filmerait et projetterait à l’envers le mouvement brownien d’une particule serait incapable de distinguer le sens de lecture correct de l’enregistrement. De même, un phénomène entropique a un déroulement que la logique nous impose, mais ne présente pas pour autant d’asymétrie dans sa séquence de déroulement inverse. Seule la thermodynamique nous permet d’expliquer en quoi sa réversibilité spontanée est quasi-impossible.

S’achevant sur cette question d’irréversibilité dans la physique moderne et ses théories avant-gardistes, cet essai laisse continuellement ouvert le débat sur la physique du temps, et s’interroge sur la signification de ces observations et hypothèses face aux recherches de supra-théories physiques, de tentatives d’unification de domaines d’apparence contradictoires. C’est la grande question centrale de la physique du XXIème siècle qui apparaît entre ces lignes, et un débat inachevé depuis plus de deux siècles autour de la notion du temps, l’une des perceptions les plus triviales et subjectives de notre environnement physique.

Le facteur temps ne sonne jamais deux fois, Etienne Klein (2007). Editions Flammarion, collection Champs sciences (n° 942). 268 p.

[1] Thibault Damour, In : E. Klein, op. cit.,  p. 62.

Pour ce nouveau numéro du Fond du labo : la matière noire peut-être détectée, des réacteurs à fusion nucléaire pour visiter Mars, un hybride néanderthalien en Italie et notre célèbre Cthulhu observé au microscope :

Bientôt des propulseurs à fusion nucléaire pour les fusées spatiales ? C’est le projet actuellement mené par des chercheurs de l’Université de Washington et des ingénieurs d’une entreprise d’aérospatiale de Redmond. Avec de tels moteurs, le voyage vers Mars ne prendrait plus que 30 à 90 jours, mais la conception d’un tel réacteur reste encore hypothétique. L’équipe de scientifiques américains pense cependant pouvoir y parvenir, après avoir testé avec succès des étapes-clés du processus. Le principe de ce moteur consisterait à comprimer un plasma dans un puissant champ magnétique et d’enclencher sa fusion. Bien que de quelques microsecondes, cette fusion ioniserait les anneaux de lithium présents dans la tuyère magnétique et éjecterait un jet d’ions métalliques alcalins de très haute vélocité assurant la propulsion. Toujours selon ces chercheurs, le principe de cette technologie aurait déjà été testée avec succès en laboratoire. Les propulseurs chimiques actuels rendant le voyage vers Mars long et risqué, les scientifiques espèrent ainsi raccourcir le temps de vol et ainsi ouvrir la voie aux missions habitées interplanétaires. A lire sur Phys.org.

Schéma du propulseur à fusion nucléaire : le plasma (en bleu) est comprimé et entre en fusion, ionisant ensuite les barres de lithuim (en rouge). Credits : University of Washington, MSNW.

Les physiciens ont-ils enfin détecté la matière noire ? Selon l’agence spatiale européenne, l’expérience AMS installée à bord de la station spatiale internationale aurait détecté sa présence dans 25 milliards de particules analysées. Cependant, la prudence est de mise et les astrophysiciens se limitent à indiquer qu’un « excès de positrons à haute énergie » a été détecté dans les rayons cosmiques près de la Terre, sans pour autant parler de matière noire. L’affaire demeure complexe et délicate à aborder, et deux hypothèses sont proposées pour expliquer ce flux de positrons : soit il s’agirait d’émissions générées par des pulsars, soit ils proviendraient de l’annihilation de particules de matière noire situées dans un halo sphérique autour de notre galaxie. La prudence reste donc de mise, même s’il y a fort à craindre que la presse généraliste ne s’empresse de titrer à une nouvelle révolution de la physique moderne… A lire sur le blog de Sylvestre Huet.

Une preuve d’hybridation entre l’Homme moderne et l’Homme de Néandertal a été mise en évidence à partir d’ossements découverts à Riparo Mezzena (Italie) en 1957, et restés jusque là entreposés au Muséum d’histoire naturelle de Vérone. Il s’agit d’un individu ayant vécu dans le nord de l’Italie voici 30 à 40 millénaires, dont l’étude de la mandibule révèle qu’il devait présenter un menton, contrairement à sa lignée néandertalienne. Les analyses génétiques de son ADN mitochondrial indiquent que sa mère était une néandertalienne (les mitochondries étant uniquement transmises via les ovules au cours de la fécondation). L’homme moderne possédant jusqu’à 4% de ses gènes d’origine néandertalienne, cette preuve morphologique et génétique d’un métissage entre les deux espèces tend donc à corroborer ce précédent résultat. A lire sur Futura-sciences.

Des biologistes viennent de décrire un nouveau genre de parabasaliens symbiontes des termites, dont la morphologie pour le moins surprenante leur a donné l’idée de les baptiser en hommage à Cthulhu, le célèbre Grand Ancien de la mythologie lovecraftienne. Leur étude, tout à fait sérieuse, est publiée dans Plos One et se proposait d’explorer plus en détails la classification de ces flagellés symbiotiques impliqués dans la digestion des fibres végétales chez les termites. A partir de la comparaison phylogénétique des séquences ARNr de la petite sous-unité ribosomale chez différents parabasaliens, ils ont pu identifier deux nouvelles espèces : Cthulhu macrofasciculumque et Cthylla microfasciculumque. Les parabasaliens, qui présentent de très nombreux flagelles, peut facilement intriguer l’imagination des chercheurs et étudiants. Il semble donc que pour souligner l’originalité du nouveau genre Cthulhu spp., nos chercheurs aient souhaité faire un clin d’oeil geek à l’œuvre de Lovecraft ! A lire sur Plos One.

Cthulhu macrofasciculumque pris au microscope électronique à balayage. Crédits : Plos One (2013).

L’année dernière, la longue traque du boson de Higgs atteignait une étape historique lorsque le CERN dévoilait les résultats des expérimentations menées au LHC. Les physiciens annonçaient alors avoir repéré une nouvelle particule, un boson de « Brout-Englert-Higgs », détectée lors de collisions protons-protons à 8 TeV. Cette observation serait, avec une probabilité de plus de 99,9999 %, une correcte mise en évidence d’un boson [1]. Il ne manquait plus qu’à poursuivre l’analyse des milliard de collisions réalisées dans l’accélérateur de particules pour décrire ce « Higgs-like boson », tel que le surnommaient déjà les physiciens du CERN.

Huit mois après cette annonce fracassante, les conclusions des chercheurs du CERN ont franchi un nouveau pas : ce boson semblerait définitivement bien correspondre au fameux « boson de Higgs » [2]. Avec deux fois et demi de bosons de plus de produits, ils n’hésitent désormais plus à l’associer à la célèbre particule théorique [3]. Surtout depuis que ses propriétés quantiques (son spin et sa parité) correspondent au modèle théorique. Tout aussi rassurant selon les physiciens, l’analyse statistique de ce boson détecté par le LHC correspond à plus de 93 % de chance au Modèle Standard de la physique des particules. Cette marge d’incertitude n’inquiète en rien les physiciens, car ce Modèle Standard repose tout aussi bien sur la théorie que sur un ensemble de paramètres expérimentaux (comme la masse des particules et les forces des interactions entre elles) reliés entre eux de manière cohérente.

Le LHC est actuellement à l’arrêt pour plus d’un an, le temps d’assurer sa maintenance et d’augmenter la résistance des jonctions entre aimants. Il reprendra ensuite ses expérimentations avec des collisions de particules réalisées à pleine puissance.

Une collision de protons dans le détecteur Atlas. Crédits : CERN.

[1] Le Monde, Le boson de Higgs découvert avec 99,9999 % de certitude. (4 juillet 2012). En ligne.

[2] Sylvestre Huet, Le boson serait vraiment de Higgs (CERN). (14 mars 2013). En ligne.

[3] A lire également, dans l’article cité ci-dessus, une explication sur les dénominations de boson de Higgs et de Brout-Englert-Higgs.

Un des thèmes les plus excitants de la science-fiction repose sur l’existence de mondes parallèles au nôtre, dans lesquels l’Histoire de nos civilisations a suivi un cheminement alternatif. Bien distincts de l’uchronie et des voyages dans le temps, les mondes parallèles furent popularisés au cours des années 90 grâce à la série TV Sliders, dans laquelle un groupe d’aventuriers voyageait d’un monde alternatif à l’autre en empruntant des trous de ver artificiels. Sujet fréquemment débattu dans les oeuvres de science-fiction, l’existence d’un nombre infini de mondes parallèles est également spéculée dans la physique moderne, bien que le concept puisse laisser sceptiques certains spécialistes. C’est le cas deux physiciens espagnols, qui publient sur arXiv.org [1] un article critiquant la validité physique de ces mondes parallèles.

Les mondes parallèles chez les super-héros (Crédits : DC Comics).

Dans leur papier, Francisco José Soler Gil (Université de Séville) et Manuél Alfonseca (Université autonome de Madrid) examinent deux propositions issues de la littérature scientifique – une basée sur la cosmologie classique relativiste et l’autre sur la mécanique quantique – stipulant que nous vivons dans un univers infini, et que l’histoire se répète un nombre infini de fois dans l’espace. Ces deux scénarios, bien que hautement spéculatifs, sont d’entrée de jeu considérés comme plausibles et ensuite discutés par nos deux chercheurs.

Dans la première proposition analysée, Ellis et Brundrit [2] argumentent que cette répétition infinie émerge logiquement de la physique relativiste. Un univers infini contient un nombre infini de planètes et de galaxies, présentant un nombre d’histoire naturelles propres tout aussi infini. Cependant, peu de scénarios naturels débouchent sur l’apparition d’une forme de vie basée sur l’ADN. Nous en connaissons au moins un cas avec la Terre. Si la probabilité d’obtenir une vie basée sur l’ADN est supérieure à zéro, un univers infini contient alors un nombre infini de formes de vie de ce type. Comme cette forme de vie basée sur l’ADN suit ses propres lois naturelles et se limite à un nombre fini de déclinaisons possibles, un univers infini doit donc présenter une redondance de ces déclinaisons possibles. Certaines histoires naturelles se présentant donc plusieurs fois, à l’infini, et il est alors possible de les regrouper sur le papier dans des catégories d’histoires naturelles similaires voire identiques point par point. Chaque histoire naturelle pour une planète habitable donnée est donc répétée à l’identique à l’infini.

Pour Soler Gil et Alfonseca, la théorie de Ellis et Brundrit présente plusieurs erreurs de raisonnement. Tout d’abord, si nous sommes bien en présence d’un univers infini, doté d’un nombre tout aussi infini de planètes, de galaxies et d’histoires naturelles possibles décrivant leur évolution, alors l’existence de deux mondes similaires est paradoxale. La probabilité que deux planètes A et B soient identiques en tout point est au contraire égale à zéro. De plus, les équations de la physique classique relativiste sont chaotiques, soulignant le caractère tout aussi chaotique de l’expansion de l’Univers. Deux scénarios naturels, même identiques à l’origine, ne peuvent que diverger au fil du temps. Par conséquent, il ne peut pas exister deux historiques identiques dans l’Univers. Enfin, la probabilité de découvrir une forme de vie sur une exo-planète est également si réduite que les chances d’obtenir une planète similaire à la Terre et peuplée elle aussi d’êtres humains sont infimes. « S’il y a un nombre infini d’historiques possibles, le fait qu’il y ait un nombre fini de scénarios aboutissant à l’apparition de la vie ne rend pas cet historique probable : cette probabilité reste de 1 sur l’infini, c’est-à-dire zéro » explique Alfonseca sur le site internet PhysOrg. « Pour avoir une probabilité supérieure à zéro, il faut un nombre infini d’approches. Mais dans tous les cas, avec ce scénario, le nombre d’historiques sera plus grand que le nombre d’évènements, et par conséquent, les mêmes évènements répétés à l’infini auraient encore différentes historiques« .

La seconde proposition, publiée par Garriga et Vilenkin [3], s’appuie sur la théorie quantique. Si l’univers est spatialement infini et homogène, alors cet univers (ou multivers) peut être divisé en un nombre infini de causalités déconnectées entre elles, ou « régions » discrètes, présentant des quantités finies d’énergie. Cette approche prend compte de la théorie de la décohérence en mécanique quantique : selon Garriga et Vilenkin, si l’énergie est finie dans chaque région discrète, alors leur décohérence aboutit à un nombre fini de scénarios possibles. Un univers infini se retrouve alors divisé en un nombre infini de régions qui ne s’influencent plus entre elles (elles sont déconnectées du point de vue de la causalité) mais régies par un nombre fini de scénarios physiques possibles. Il existe alors dans l’univers infini une redondance des scénarios suivis pour chaque région. Par déduction, il est possible d’envisager un nombre infini de régions identiques issues d’un même scénario physique donné. Soler Gil et Alfonseca critiquent presque point pour point cette hypothèse, en commençant par considérer l’application de la théorie quantique à la cosmologie comme inapte. Un autre problème de taille se pose dans la démonstration de Garriga et Vilenkin, qui reconnaissent eux-même ignorer la gravitation dans leur théorie. Or en considérant les effets gravitationnels des trous noirs et l’expansion de l’univers, le nombre de scénarios physiques possibles peut augmenter indéfiniment, rendant ainsi caduques ces fameuses redondances mises en avant par cette théorie !

Mais la principale critique formulée par nos scientifiques espagnols repose sur la notion admise d’univers infini dans ces deux théories. Actuellement, la cosmologie ne peut trancher entre univers fini ou infini. D’ailleurs, que signifie vraiment cet infini sur lequel reposent ces hypothèses ? Tout au long de l’histoire de la physique, l’idée d’infinité émergea de réflexions de physiciens confrontés à une impasse, jusqu’à ce que de nouvelles théories éliminent par la suite ces notions d’infini. Actuellement, la relativité générale et la théorie quantique butent aussi sur la prédiction de notions infinies : les trous noirs ou le big-bang pour la première ; l’énergie du vide ou certains aspects de la théorie quantique des champs pour la seconde. Et si ces deux théories n’étaient que des approximations d’une troisième théorie, plus aboutie ? Soler Gil et Alfonseca restent donc particulièrement modestes dans leur article, renvoyant au final la résolution des mondes parallèles aux futurs physiciens qui élucideront peut-être un jour la fameuse « théorie du tout » …

Que reste-t-il au final en faveur des mondes parallèles ? Bien que Soler Gil et Alfonseca ne puissent totalement réfuter l’hypothèse d’univers infini, les deux physiciens espagnols pointent du doigt les paradoxes de ces deux scénarios bâtis sur ce postulat. Leur conclusion est d’ailleurs particulièrement ironique. Soulignant le caractère hautement spéculatif de cette réflexion, ils se gardent tout même de rappeler qu’Einstein brocardait les physiciens s’interrogeant sur la nature finie ou infinie de l’univers. Mais nos deux chercheurs espagnols ne manquent pas de noter comment le « quasi-improbable » de la littérature scientifique devient « quasi-probable » dans les ouvrages de vulgarisation, pour devenir une « certitude établie » dans les revues généralistes et la culture populaire… Le sujet fascine le grand public, notamment à travers la science-fiction ou la mythologie. A tel point que les mondes parallèles n’existent, peut-être, que sous la plume des écrivains…

Sliders, les mondes parallèles : une série emblématique de la SF.

Bibliographie :

[1] Soler Gil, F.J.; Alfonseca, M. (2013). About the Infinite Repetition of Histories in Space. En ligne : [arXiv].

[2] Ellis, G.F.R.; Brundrit, G.B. (1979). Life in the Infinite Universe. Quaterly Journal of the Royal Astronomical Society 20, 37-41.

[3] Garriga, J.; Vilenkin, A. (2001). Many worlds in one. En ligne : [arXiv].