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Vulgarisation "tout public" 

Le chemin des étoiles, entre science et fiction

Alors qu’aucune mission spatiale habitée n’a encore dépassé la Lune, et que le système solaire est à peine exploré par des sondes automatiques, certains scientifiques tournent déjà leur regard vers les étoiles. Des artistes, des romanciers et des cinéastes les ont cependant devancés en imaginant mille moyens de franchir le grand gouffre spatial. Bien que les problèmes technologiques et économiques posés par le voyage interstellaire soient si énormes qu’ils ne peuvent être résolus actuellement, la science moderne permet d’imaginer certains des moyens qu’il conviendrait de mettre en oeuvre pour en faire une réalité. Nous passerons en revue différentes solutions qui ont été proposées par les scientifiques pour construire les astronefs du futur et celles rêvées par les artistes. Nous insisterons également sur les échanges, parfois féconds, qui n’ont jamais cessé entre la science et la fiction.

A la recherche des civilisations extra-terrestres

Notre Galaxie contient environ 100 milliards d'étoiles. Un grand nombre d'entre elles sont semblables au Soleil et sont probablement accompagnées d'un cortège de planètes. Si on admet que la vie n'est pas un phénomène singulier, on peut s'attendre à ce que la Galaxie abrite un grand nombre d'espèces intelligentes dont certaines ont pu développer une civilisation technologique semblable, voire supérieure, à la nôtre. Cette opinion partagée par un grand nombre de scientifiques ne fait pourtant pas l'unanimité. Je me propose de développer des arguments tendant à prouver au contraire que notre civilisation pourrait être la seule civilisation technologique dans la Galaxie.

Les machines temporelles

Depuis La machine à explorer le temps de H. G. Wells, le voyage dans le temps, vers le passé ou vers le futur, est resté un thème privilégié des auteurs de science-fiction. Cependant, la science moderne est maintenant en mesure de se pencher très sérieusement sur le problème du déplacement temporel. Depuis Einstein nous savons que la vitesse de la lumière est identique quel que soit l'état de mouvement de l'observateur, avec comme conséquence directe que l'écoulement du temps dépend de la vitesse. Sans aucune formule, nous montrons comment ce phénomène peut être utilisé pour réaliser un voyage temporel vers le futur. Nous décrivons également comment on peut envisager de fabriquer les machines capables de réaliser un tel exploit. La relativité générale nous apprend de plus que l'écoulement du temps dépend de la quantité de matière et d'énergie présentes dans l'environnement. Nous montrons ainsi que les trous noirs sont de fantastiques machines à explorer le futur. Voyager vers l'avenir c'est bien, mais il serait intéressant de pouvoir en revenir. Serait-il possible de retourner en arrière dans le temps ? Dans le cadre de la relativité générale, certaines distorsions subtiles de l'espace-temps autorisent, en principe, l'exploration du passé sans jamais dépasser la vitesse de la lumière. Une personne empruntant ce que l'on appelle communément un trou de ver pourrait rejoindre son propre passé et ainsi modifier son futur, en engendrant toutes sortes de paradoxes temporels. Nous discutons ces paradoxes et montrons le fonctionnement possible d'une telle machine temporelle.

Entre macrocosme et microcosme

Cet exposé est à la fois un voyage vers l’infiniment grand – plus d’un milliard d’années-lumière – et vers l’infiniment petit – en deçà du cent-milliardième de millimètre. Partant d’une scène contenue dans un carré d’un mètre de côté, nous élargissons la perspective en multipliant chaque fois les distances par un facteur dix pour découvrir progressivement notre planète, le système solaire, la Voie lactée et une large région de l’univers observable. Ensuite, après avoir retrouvé notre point de départ, nous examinons différentes scènes, chacune dix fois plus étroite que la précédente, pour pénétrer au cœur de la matière et révéler les atomes, les noyaux et les quarks. Chaque étape du voyage est prétexte à la découverte des phénomènes caractéristiques de cette échelle de distance. Nous terminons notre voyage en évoquant ce qu’il peut y avoir au-delà des plus lointaines galaxies et ce qui se cache peut-être au plus profond des quarks. Nous découvrons ainsi ce qui fait l’unité des sciences modernes, de la cosmologie à la physique des particules.

La relativité restreinte

Tout le monde a déjà entendu parler d’Albert Einstein et de sa de la théorie de la relativité restreinte. Cependant, cette théorie reste très mystérieuse et ses prédictions extraordinaires semblent défier le bon sens. Dans cette conférence, nous présenterons de la manière la plus intuitive possible les bases des travaux d’Einstein. En particulier, nous expliquerons les phénomènes de dilatation des temps et de contraction des longueurs. Nous discuterons également du fameux paradoxe des jumeaux de Langevin dont les âges diffèrent après qu’un des frères ait entrepris un voyage à une vitesse proche de celle de la lumière. Enfin, nous nous attarderons sur le sens profond de la formule la plus connue de toute la physique E = m c2.

Atelier pour élèves du secondaire

GPS et relativité restreinte

Le système GPS, qui permet à tout un chacun de se situer n’importe où sur Terre, est le seul exemple de technologie courante utilisant pour sa bonne marche les lois de la relativité d’Einstein. Le fonctionnement ce système est présenté au cours d’un exposé ponctué d’exercices simples ne nécessitant que des connaissances mathématiques élémentaires (et l'utilisation d'une calculatrice). L’atelier comporte trois parties :

  • La présentation des trois segments du système : le segment spatial, le segment de contrôle et le segment utilisateur. Le principe de fonctionnement est décrit et l’accent est mis sur les exigences en matière de précision.
  • Une description du phénomène de dilatation des temps dû aux effets de relativité restreinte et de relativité générale. La présentation est la plus intuitive possible et se limite aux grands principes de la théorie sans entrer dans les détails.
  • La présentation des conséquences de la dilatation des temps sur le fonctionnement du GPS. Une estimation de ces effets est effectuée sur base du calcul des caractéristiques des orbites des satellites du système.

Vulgarisation pour enseignants et étudiants universitaires 

    Les malentendus en relativité restreinte

    Peu après la publication des travaux d’Einstein, la relativité restreinte rencontra une vive opposition de la part de nombreux physiciens. La controverse finit par s’éteindre dans les années 30, quand la technologie devint suffisamment avancée pour permettre les premières vérifications expérimentales des prédictions de la théorie. Aujourd’hui, alors qu’il n’y a plus de place pour le doute, la relativité restreinte peut être considérée comme une théorie achevée. Enseignée dès les premières années des études en physique, vulgarisée dans un nombre incalculable d’ouvrages et de revues, on pourrait la qualifier de « tombée dans le domaine public ». Cependant, force est de constater qu’on trouve parfois encore de graves erreurs d’interprétation, voire des erreurs « tout court ». Je propose de lever certains de ces « malentendus » en répondant aux questions suivantes :

    • La masse dépend-t-elle réellement de la vitesse ?
    • La relativité restreinte permet-elle de décrire les mouvements d’objets accélérés ?
    • Le postulat d’invariance de la vitesse de la lumière dans le vide est-il indispensable ?
    • La contraction des longueurs est-elle observable ?
    • Est-ce que tout est vraiment relatif ?
    • La mécanique quantique est-elle en désaccord avec la relativité restreinte ?
    • Peut-on réellement voyager dans le temps vers le futur ?
    • En quoi la relativité restreinte est-elle restreinte ?

 

Aux sources de la masse

Tous les objets matériels possèdent une masse. Cette propriété semble si naturelle qu'on se pose rarement la question de son origine. Pourtant, la physique moderne a réussi à mettre en évidence un certain nombre de mécanismes responsables de la masse des atomes. La toute récente découverte du boson scalaire de Brout-Englert-Higgs est venue confirmer de manière magistrale un élément clé de ces théories. Le but de l'exposé est d'expliquer, au moyen de modèles simples, les deux mécanismes qui sont les sources de la masse :

  • les interactions nucléaires qui donnent leur masse aux protons et neutrons composant les noyaux atomiques ; 
  • le champ associé au boson scalaire qui confère une masse aux constituants les plus élémentaires de la matière.

 

Publications de vulgarisation :

La symétrie gauche-droite dans la nature
comptes rendus des Journées de Mathématique et de Sciences, UMH (1995).

Le défi technologique des voyages interstellaires
comptes rendus des Journées de Mathématique et de Sciences, UMH (1996);
Bulletin de l'Association Belge des Professeurs de Physique et de Chimie, n° 131 (novembre 1996) 223-243.

Et si le ciel nous tombait sur la tête...
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 1, février 1997, p. 21-23.

Les oasis du ciel
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 2, avril 1997, p. 37-40.

Défense planétaire
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 3, juin 1997, p. 6-9.

A la recherche des civilisations extra-terrestres (1) : la classification des civilisations technologiques
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 7, février 1998, p. 31-35.

Et si l'homme était seul dans la Galaxie ?
comptes rendus des Journées de Mathématique et de Sciences, UMH (1998).

A la recherche des civilisations extra-terrestres (2) : l'équation de Drake
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 8, avril 1998, p. 19-24.

A la recherche des civilisations extra-terrestres (3) : les sphères de Dyson
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 9, juin 1998, p. 15-20.

A la recherche des civilisations extra-terrestres (4) : le projet SETI
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 10, août 1998, p. 12-18.

A la recherche des civilisations extra-terrestres (5) : les transports interstellaires
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 13, février 1999, p. 32-39.

A la recherche des civilisations extra-terrestres (6) : la colonisation de la Galaxie
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 14, avril 1999, p. 21-26.

A la recherche des civilisations extra-terrestres (7) : les nomades cométaires
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 15, juin 1999, p. 25-30.

A la recherche des civilisations extra-terrestres (8) : les machines de von Neumann
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 18, décembre 1999, p. 28-33.

A la recherche des civilisations extra-terrestres (9) : Des sondes extra-terrestres dans notre système solaire ?
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 20, avril 2000, p. 39-44.

A la recherche des civilisations extra-terrestres (10) : Un point de vue rationnel sur le phénomène ovni
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 21, juin 2000, p. 45-50.

A la recherche des civilisations extra-terrestres (11) : Et si l'homme était seul dans la Galaxie ?
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 22, octobre 2000, p. 35-41.

A la recherche des civilisations extra-terrestres
Cercle d'Astronomie Olympus Mons (UMH), 2001.

Quand le cinéma rencontre l'astronautique. Petite histoire de La femme dans la Lune
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 27, octobre 2001, p. 29-33.

Entre Microcosme et Macrocosme (1)
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 30, avril 2002, p. 17-31.

Entre Microcosme et Macrocosme (2)
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH, n° 31, juin 2002, p. 23-37.

Entre Microcosme et Macrocosme. Un Voyage dans l'Infiniment grand et dans l'Infiniment petit
Cercle d'Astronomie Olympus Mons (UMH), 2002.

Quel destin pour notre Univers ? (1) : La relativité restreinte
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH,  n° 40, avril 2004, p. 34-44.

Quel destin pour notre Univers ? (2) : La relativité générale
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH,  n° 43, décembre 2004, p. 8-17.

Pendule et grandeurs physiques
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH,  n° 44, février 2005, p. 41-44.

Et si la Terre tournait plus vite …
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH,  n° 44, février 2005, p. 54-56.

Mille lieues vers le centre de la Terre
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH,  n° 45, avril 2005, p. 38-49.

Habiter l'espace
p. 42-45, catalogue de l'exposition « Jules Verne: savoir rêver, savoirs rêvés », du 7 octobre 2005 au 6 août 2006 au Mundaneun, Centre d'archives de la Communauté française.

Quel destin pour notre Univers ? (3) : Vers l'inconnu
Galactée, revue du Cercle d'Astronomie de l'UMH,  n° 47, octobre 2005, p. 33-42.

Habiter l'espace
dossier pédagogique, 5 p., pour l'exposition « Jules Verne: savoir rêver, savoirs rêvés », du 7 octobre 2005 au 6 août 2006 au Mundaneun, Centre d'archives de la Communauté française.

Science-fiction et météorites
in Ces pierres tombées du ciel…, Petite Collection de Galactée, Cercle d'Astronomie Olympus Mons (UMH), 2008, p. 85-86.

DCA : Défense Contre Astéroïdes
in Ces pierres tombées du ciel…, Petite Collection de Galactée, Cercle d'Astronomie Olympus Mons (UMH), 2008, p. 87-90.

Les malentendus en relativité restreinte
Bulletin de l'Association Belge des Professeurs de Physique et de Chimie, 1re partie, n° 180 (2009) 24-18 ; 2e partie, n° 181 (2009) 61-69.