Demain, la physique

Multiples et sous-multiples d’une unité, et leurs abréviations conventionnelles. Ainsi, une femtoseconde (1 fs) vaut 10–15 s.

Liste des premières exoplanètes géantes détectées, avec leur demi-grand axe orbital : la plupart d’entre elles sont très proches de leur étoile. En mai 2007, on connaissait plus de 200 exoplanètes en orbite autour d’une étoile de type solaire.

NASA

Le schéma de formation du système solaire : (1) Contraction d’un nuage protostellaire ; (2) Effondrement et apparition d’un disque en rotation ; (3) Différenciation de la matière au sein du disque et formation de planétésimaux ; (4) Formation des planètes et expulsion des débris du disque. Les distances sont en unités astronomiques (UA) et les températures en kelvin (K).

NASA

Image du sol de Titan, obtenue le 14 janvier 2005 par la sonde de descente Huygens de la mission Cassini. La surface semble constituée de dépôts d’hydrocarbures. Les galets, très érodés, sont sans doute constitués de glace d’eau. La température à la surface de Titan est de 94 K, soit 179 °C. La couleur orange de l’atmosphère est due à la diffusion du rayonnement solaire par les aérosols, principalement constitués de nitriles.

ESA

Image de la planète Mars dans la région de Valles Marineris, reconstituée à partir d’une mosaïque d’images obtenues par les sondes Viking. Valles Marineris est un canyon de plus de 3 000 kilomètres de longueur dont la profondeur atteint 8 kilomètres. Les trois volcans de Tharsis, de plus de 25 kilomètres d’altitude, apparaissent comme des taches noires à gauche de la figure.

NASA

Au moment de l’été dans l’hémisphère Sud, le spectromètre à rayons g de la sonde Mars Odyssey a mis en évidence la présence de glace d’eau sous la surface (en sombre sur la carte), à une profondeur de quelques dizaines de centimètres au plus. Plus tard, le même résultat a été obtenu au pôle nord au début de l’été, après l’évaporation de la calotte de glace CO2.

NASA

Une partie d’un champ profond observé avec le télescope Hubble. Tous les points lumineux détectés dans ce champ sont des galaxies. La dimension de cette image est d’environ 2 minutes d’angle. Aucun de ces points n’est une étoile de notre propre galaxie, la Voie lactée. Le temps de pose est de plusieurs jours.

HST, NASA

Histoire de la formation d’étoiles, en fonction du décalage z, ou de façon équivalente en fonction du temps t depuis le Big Bang (en milliards d’années, échelle supérieure). Le premier diagramme de ce genre a été tracé par Madau et al. (1996). Celui-ci résulte de nombreuses observations.

F. Combes/Observatoire de Paris-LERMA

Exemples de galaxies ultra-lumineuses infrarouges. Toutes ces galaxies sont en interaction de marée ou en fusion.

HST, NASA

Arbre de fusion, schématisant la formation hiérarchique des galaxies.

C.G. Lacey et S. Cole, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 1993, 262, 627

À gauche, mesure de la répartition sur la voûte céleste des galaxies, chacune représentée par un point, mettant en évidence de grandes structures filamentaires. À droite, simulation sur ordinateur de la formation des galaxies en fonction de différents paramètres tels que l’importance de la masse cachée : des filaments se développent sous l’effet des instabilités gravitationnelles.

Source ? 1.9 : HST, NASA

Quelques-uns des nouveaux outils de l’astronomie. En haut à gauche : le Très Grand Télescope européen (Very Large Telescope, VLT) au Chili, avec sa base interférométrique. En haut à droite : le télescope spatial Herschel (anciennement FIRST), lancé en 2009 et destiné à recevoir les rayonnements infrarouges lointain et submillimétrique. En bas à gauche : le James Webb Space Telescope (JWST), successeur de Hubble, d’un diamètre de 6,5 mètres (lancement en 2014, commun à la NASA et à l’Agence spatiale européenne). En bas à droite : le réseau interférométrique ALMA (Atacama Large Millimetric Array), selon un dessin d’artiste sur le plateau andin de Chajnantor, en attendant l’achèvement de sa construction pour 2012.

VLT/VLTI/ ESO ; ALMA/ESO ; FIRST/NASA ; NGST/NASA

La différence de piqué obtenue sur une image d’étoile donnée par le Very Large Telescope (VLT) européen sans (à gauche) et avec (à droite) la caméra à optique adaptative NAOS-CONICA, à une longueur d’onde dans le proche infrarouge (2,2 micromètres).

ESO et ONERA

Images d’un satellite de Jupiter, Io. À gauche, trois images prises depuis la Terre d’abord directement puis grâce à l’optique adaptative du télescope Keck dans deux bandes successives de l’infrarouge proche ; à droite, image prise « à bout portant » dans le visible par la sonde spatiale Galileo. On distingue l’activité volcanique de la surface de ce satellite.

F. Marchis et al.

Le principe du fonctionnement interférométrique d’une paire de télescopes, ici le VLT Interferometer (VLTI) : la réception de la lumière par chaque télescope, son acheminement par des jeux de miroirs, l’introduction d’une ligne à retard optique pour compenser la rotation de la Terre et le mouvement apparent des étoiles, le plan focal où se forment les franges sont clairement identifiés.

ESO

En haut (a) : franges d’interférence enregistrées entre deux télescopes de 8,2 mètres du VLT sur l’étoile Achernar. Chaque ligne est obtenue en balayant les franges pendant une fraction de seconde, la position des franges changeant d’une ligne à l’autre à cause des fluctuations de l’atmosphère terrestre traversée. En dessous (b) : le contraste des franges, appelé visibilité, est porté en fonction de la séparation B des télescopes ; il est comparé à la prédiction d’un modèle (courbe tracée) et permet la détermination du diamètre de l’étoile Bételgeuse (alpha Orionis), soit 43,64 millièmes de seconde d’angle, avec une très grande précision.

a) ESO, b) G. Perrin

Aladdin, un projet d’interféromètre infrarouge à la station franco-italienne Concordia sur le plateau antarctique, pour l’étude de la détectabilité des exoplanètes. Superposé par un montage à une photographie aérienne de la station, l’interféromètre (dessin d’étude) comprend deux télescopes mobiles installés sur une poutre, et les franges d’interférence sont formées sur une caméra située au milieu de celle-ci, l’ensemble étant à 20 mètres au-dessus du sol pour bénéficier d’une turbulence atmosphérique quasi nulle.

CNRS, Talhès Alenia et Vincent Coudé du Foresto, LESIA, Observatoire de Paris.

Répartition en fréquence du rayonnement cosmologique. Les différents symboles correspondent aux mesures du satellite COBE et à plusieurs autres ; celles-ci montrent un accord précis avec la loi de Planck pour un corps noir à 2,726 K (ligne continue).

LAMBDA-NASA

Répartition des fluctuations du rayonnement cosmologique en fonction de leur dimension angulaire. Ces résultats, obtenus grâce au satellite WMAP de la NASA, confirment les mesures des expériences Boomerang, Maxima et Archeops embarquées sur ballons stratosphériques. Elles montrent des oscillations correspondant aux pics acoustiques prédits par le modèle du Big Bang.

LAMBDA-NASA

En haut : le satellite Planck en tests au Centre spatial guyanais à Kourou, avant le lancement du 14 mai 2009. En bas : vue du plan focal des deux instruments HFI-LFI. On voit dans le miroir primaire les cornets collectant la radiation envoyée par le télescope. La photographie a été prise dans la salle blanche du Centre spatial de Kourou en février 2009.

ESA-CNES/Arianespace/Optique Vidéo du CSG-L. Mira.

Un exemple de réseau cristallin simple à trois dimensions.

É. Brézin/ENS-Paris.

Itération graphique d’une application y = f(x) et convergence vers un point fixe x*. Noter que l’itération conduit toujours au même x*, indépendamment du point initial x0.

É. Brézin/ENS-Paris.

Si la parité était conservée, le processus miroir B, dans lequel l’impulsion de l’électron est parallèle au spin du cobalt, aurait même probabilité que le processus A dans lequel l’impulsion de l’électron et le spin du cobalt sont antiparallèles. En effet, l’orientation du spin est symbolisée par le sens de parcours dans la boucle, qui est inversé dans l’image donnée par le miroir.

É. Brézin/ENS-Paris.

Formes droite et gauche des cristaux d’acide paratartrique.

É. Brézin/ENS-Paris.

Le géoïde, surface d’égale pesanteur, est un « patatoïde » présentant des creux et des bosses. La surface de la mer est donc plus basse dans les creux (en noir à droite), par exemple au sud de l’Inde (à droite), que dans les bosses (en haut et en bas, aux pôles). La pesanteur est la même en tout point de la surface de la mer, qui suit le géoïde. Il en résulte que l’eau n’a aucune raison de couler des bosses du géoïde vers les creux. Par contre, les marées océaniques créent des variations de niveau de la mer qui ne suivent pas le géoïde : l’eau peut donc couler des régions de pleine mer vers celles de basse mer, créant des courants de marée.

LEGOS-GRGS/CNES

Il existe deux sortes d’ondes sismiques (ondes élastiques) : S, transversales, et P, longitudinales (extension-compression). La vitesse des ondes à l’intérieur du globe dépend de la densité et des modules élastiques qui augmentent avec la pression, donc avec la profondeur. Les ondes suivent un trajet courbe, comme un rayon lumineux dans un milieu transparent dont l’indice de réfraction augmente avec la profondeur. Les frontières entre les différentes régions du globe (manteau, noyau liquide, graine solide) sont marquées par des discontinuités.

F. Presds et R. Sievere, Understanding Earth, 2d ed., W.H. Freeman, p. 487

La tomographie sismique utilise les mêmes principes que le scanner médical. Elle met en évidence des zones où la vitesse sismique est plus forte (zone sombre au centre) ou plus faible (zone sombre, en haut à gauche) que la moyenne. Les zones plus « rapides » correspondent à des régions plus froides, c’est le cas d’une plaque océanique plongeant sous un continent. Les zones plus « lentes » correspondent à des régions plus chaudes, c’est le cas des dorsales médio-océaniques où de la matière chaude monte des profondeurs.

R. van der Hilst, in F. Presds et R. Sievere, Understanding Earth, 2e éd., W.H. Freeman, p. 494

Enregistrements de l’évolution temporelle du champ magnétique dans l’expérience VKS présentant des inversions erratiques. Les phases de polarité donnée ont une durée moyenne près de cent fois plus longue que la durée d’une inversion. Comme dans le cas de la Terre, le champ magnétique peut soit s’inverser, soit diminuer momentanément d’intensité sans s’inverser (on utilise alors le terme d’excursion). Les excursions sont indiquées par les flèches noires sur la portion de signal à droite de la figure.

Source ?.

Fontaine d’hélium superfluide. Cette photo montre l’hélium superfluide jaillissant du récipient dans lequel il se trouve, à travers un « bouchon » poreux. Dans un superfluide tel que l’hélium liquide en dessous de 2 degrés absolus, une augmentation locale de la température crée une surpression qui est susceptible de faire jaillir le liquide dont la viscosité est quasi nulle. C’est la découverte de cet « effet fontaine » par J.F. Allen et H. Jones en 1938 qui poussa F. London à admettre que l’hélium liquide possède une phase « condensée » du type prévu par Bose et Einstein (voir l’encadré sur les condensats de Bose-Einstein). Soixante-cinq ans plus tard, après de nombreuses controverses, il est généralement admis que London avait raison, bien que les atomes d’un liquide interagissent si fortement entre eux qu’un calcul a priori des propriétés de ce liquide soit très difficile.

J.F. Allen et J.M.G. Armitage/St Andrews University

Indiscernabilité des particules quantiques identiques. Pour des particules classiques, même identiques, on peut distinguer la collision (a) de la collision (b), et on sait donc si la particule 1 sort en haut à droite ou en bas à gauche : donner des numéros différents à ces deux particules a donc un sens. En physique quantique, en revanche, les trajectoires ne sont pas bien définies, et il se peut qu’on ne puisse distinguer entre le processus (a) et le processus (b) ; l’indiscernabilité des deux particules doit alors être prise en compte pour prédire l’issue de la collision.

A. Aspect/Institut d’optique d’Orsay

Images d’un gaz d’atomes de rubidium confiné dans un piège magnétique avant refroidissement par évaporation (à gauche) et après refroidissement (à droite). La tache elliptique au centre de la figure de droite correspond à un condensat de Bose-Einstein, c’est-à-dire à une accumulation de particules dans le niveau d’énergie fondamental du piège. La température correspondante est 0,2 millionième de Kelvin.

D.R.

Appareil utilisé pour la condensation de Bose-Einstein de l’hélium métastable. Pour cet élément, il est possible de détecter les atomes un par un, comme on sait détecter les photons un par un. Il devient alors possible de développer une véritable optique atomique quantique, analogue à l’optique quantique qui s’est développée à partir de 1960, après l’invention du laser et la maîtrise des techniques de comptage de photons.

Alcatel

Localisation d’Anderson d’atomes ultra-froids dans un réseau de tavelures laser : un exemple de simulateur quantique. Bien que l’énergie des atomes soit beaucoup plus grande que celle des pics de potentiel au milieu desquels ils évoluent, les atomes sont piégés comme le montre l’image de la fonction d’onde atomique, localisée avec des ailes décroissant exponentiellement. On peut ainsi observer directement et étudier un phénomène relatif aux électrons dans les solides, imaginé par Philip Anderson en 1958 pour expliquer le caractère isolant de certains matériaux désordonnés.

A. Aspect/Institut d’optique d’Orsay, France

a) Dans l’expérience schématisée à gauche, le photon unique hν émis par l’émetteur E est envoyé sur une lame semi-réfléchissante S, qui transmet 50 % de la lumière, et en réfléchit 50 %. Le circuit de coïncidences, capable de détecter un déclenchement simultané des deux compteurs de photons DR et DT, n’observe aucun événement, ce qui s’interprète en décrivant le photon comme une particule insécable, qui est soit transmise, soit réfléchie, mais ne peut être divisée.

A. Aspect et G. Roger/Institut d’optique d’Orsay, France

À gauche : photo du premier transistor, réalisé aux Bell Laboratories, en 1947. On distingue les morceaux de silicium dopés et le bloc de cuivre faisant contact. La taille du système était de l’ordre du centimètre. À droite : un circuit intégré moderne, qui contient des millions de transistors pour une taille de l’ordre du centimètre.

N. Gisin/Université de Genève-A. Zeilinger et G. Wheis/Université d’Innsbruck

Grâce aux amplificateurs laser à erbium intégrés dans les fibres optiques elles-mêmes, on peut aujourd’hui transmettre à travers les océans plusieurs térabits (mille milliards d’informations élémentaires) chaque seconde, sur une seule fibre. Cette carte donne une idée (incomplète) du réseau mondial des fibres optiques pour les télécommunications.

D. Eigler/IBM Research

Un nuage d’atomes de césium est refroidi par six faisceaux laser à une température de 1 µK et lancé vers le haut à une vitesse de 4 m/s. Les atomes traversent à la montée et à la descente une cavité où règne un champ micro-onde de fréquence proche de celle de la transition entre les niveaux hyperfins de l’atome de césium. Les atomes excités par le champ micro-onde sont détectés en dessous du dispositif par un faisceau laser qui les fait fluorescer. La durée entre les deux interactions est de l’ordre de 0,5 seconde.

G. Gabrielse/Harvard University

Dans un état quantique EPR, les deux particules 1 et 2 sont totalement corrélées en position et en vitesse. La mesure de position de la première particule peut donner un résultat quelconque (M1, M′1…) ; mais si on a trouvé M1 on trouve avec certitude la deuxième particule à la position M2 située à une distance et dans une direction précises par rapport à M1 ; et de même si on a trouvé M′1 pour la première on trouve M′2 à la même distance et dans la même direction par rapport à M′1. Une mesure de position de la particule 1 permet donc de connaître avec certitude la position de 2. De la même façon, les mesures sur les vitesses sont totalement corrélées (on trouve toujours des vitesses opposées : V2 = – V1 ou V′2 = – V′1), et une mesure de la vitesse de 1 permet de connaître avec certitude la vitesse de 2. Comme une mesure sur la particule 1 ne saurait affecter instantanément la particule 2 éloignée, EPR en déduisent que la particule 2 possédait, avant les mesures, une valeur parfaitement déterminée de position et de vitesse, alors que l’état quantique ne spécifie pas ces grandeurs : EPR en concluent que la description quantique de cette situation est incomplète, et qu’il faut compléter le formalisme quantique. John Bell démontrera, trente ans plus tard, qu’il est impossible de compléter le formalisme quantique dans l’esprit des idées d’Einstein, c’est-à-dire dans le cadre d’une conception du monde « réaliste locale » où la notion de réalité physique garde son sens, et où cette réalité physique ne peut être affectée par des influences se propageant plus vite que la lumière.

C. Raab, J. Eschner et R. Blatt

L’utilisation de nouveaux lasers a permis le développement d’une source efficace de paires de photons intriqués, au sein de l’enceinte à vide située au centre de la photo. Des mesures de polarisation ont montré l’existence de corrélations violant les inégalités de Bell, prouvant ainsi la non-séparabilité des photons de chaque paire, même lorsqu’ils sont éloignés l’un de l’autre. Dans cette expérience réalisée au début des années 1980, les deux photons étaient éloignés de 12 mètres au moment des mesures, ce qui suffisait à garantir une séparation relativiste des mesures, car les orientations des polariseurs étaient modifiées à une cadence suffisamment élevée (toutes les 10 nanosecondes) pour qu’aucun signal voyageant à une vitesse inférieure ou égale à celle de la lumière ne puisse connecter ces mesures (un tel signal mettrait au moins 40 nanosecondes pour parcourir la distance entre les deux polariseurs).

Alain Aspect/Institut d’optique d’Orsay

Cette expérience réalisée en 1998 utilise les fibres optiques du réseau commercial de télécommunication. La source (située à Cornavin) est à plus de dix kilomètres des détecteurs (Bellevue et Bernex). Elle a permis de constater que l’intrication continue à exister pour deux photons séparés de plus de dix kilomètres. Dans une expérience analogue réalisée à Innsbruck, on met à profit le temps de propagation dans les fibres pour choisir aléatoirement l’orientation des appareils de mesure (polariseurs) pendant les quelques microsecondes qui s’écoulent entre l’émission des photons et leur observation.

F. Chevy-K. Madison/ENS Paris

Cette image au microscope à effet tunnel montre un « corral atomique » réalisé à l’aide d’atomes de fer déposés sur une surface de cuivre. Les atomes se manifestent par des pics de densité électronique. Les vagues visualisent la fonction d’onde des électrons du cuivre qui sont réfléchis par les atomes de fer.

Groupe d’optique atomique/Institut d’optique, Palaiseau

Une combinaison d’électrodes et de bobines permet de maintenir un seul positron (antiélectron) pendant plusieurs jours dans une enceinte à vide, sans contact avec les bobines qui contrôlent sa position. Ce piège permet également de confiner des antiprotons, ce qui a permis l’obtention d’antihydrogène. C’est avec des pièges analogues qu’il a été possible de tester la symétrie matière-antimatière à des niveaux de précision d’un milliardième.

Source ?

Sous l’effet du laser de couplage, l’ion est dans une superposition linéaire de deux états, brillant et noir. Si on l’éclaire par un laser sonde auxiliaire, l’ion dans l’état brillant diffuse de nombreux photons facilement détectables, alors que dans l’état noir aucun photon du laser annexe n’est diffusé. La figure du bas (enregistrement de la fluorescence en fonction du temps dans une situation de ce type, document C. Raab, J. Eschner, et R. Blatt, Université d’Innsbruck) montre les basculements brutaux d’un état à l’autre à des instants aléatoires, appelés « sauts quantiques ». Si on avait un grand nombre d’ions dans cette situation, on verrait un taux de diffusion de photons quasiment constant, proportionnel à la probabilité de trouver les ions dans l’état brillant. Ce n’est que lorsqu’on a su piéger un ion unique avec des systèmes analogues à celui de la figure 5.14 que l’on a pu observer les sauts quantiques, dont l’existence était jusque-là très controversée.

Groupe Quantronique/CEA-Saclay

Photographie au microscope électronique de la partie centrale du « quantronium ». Les parties grises sont les deux couches d’aluminium dont la superposition crée les jonctions Josephson. La préparation d’un état superposé des deux états du bit quantique s’effectue en appliquant des impulsions radiofréquence à l’électrode de grille couplée capacitivement à la petite île entre les deux nanojonctions Josephson (flèche).

C. salomon/Laboratoire Kastler Brossel-ENS.

Un nanopont d’aluminium au-dessus d’un substrat en polyimide (fond). La longueur totale du pont est d’environ deux microns. Sa largeur et son épaisseur, à l’endroit le plus étroit, sont d’environ cent nanomètres. À cette échelle, dite mésoscopique, la conduction électrique n’est pas régie par la loi d’Ohm.

E. Scheer, C. Sürgers, P. Pfundstein, H. von Löhneysen/Konstanz Universität

Représentation schématique d’un nanotube de carbone. L’extrémité qui ferme le tube est une moitié de molécule C60 et contient des pentagones alors que le tube lui-même est un grillage d’hexagones. À chaque nœud de ce réseau se trouve un atome de carbone. Ce tube est droit, mais certains ont une structure hélicoïdale (voir figure suivante) (schéma Annick Loiseau, ONERA, France).

A. Loiseau/ ONERA, d’après R. Smalley et al./cnst.rice.edu/pics.html

À gauche, image d’un nanotube de carbone hélicoïdal obtenue avec un microscope à effet tunnel. À droite, un nanotube de carbone déposé sur deux électrodes de platine, elles-mêmes déposées sur un substrat en silice ; la distance entre deux électrodes est de 0,2 micron.

C. Dekker/Delft University

Au-dessus d’une pastille en oxyde de cuivre, yttrium et baryum (YBaCuO) refroidie à 77 K grâce à de l’azote liquide, un aimant permanent de 50 mm de diamètre lévite spontanément. C’est une conséquence de la supraconductivité de cet oxyde de cuivre qui en fait un diamagnétique parfait, c’est-à-dire un matériau qui exclut tout champ magnétique.

R. Tournier/Laboratoire de cristallographie de Grenoble

Image en microscopie électronique en transmission à haute résolution d’une hétérostructure La0.7 Sr0.3 MnO3/SrTiO3/La0.7 Sr0.3 MnO3 déposée par ablation laser pour la réalisation d’une jonction tunnel. On distingue les rangées d’atomes de la structure cristalline qui sont espacées de 3,9 Å = 0,39 nm. L’épaisseur de la couche de SrTiO3 qui constitue la barrière tunnel est de 22 Å.

J.-L. Maurice/CNRS Photothèque.

Soumis à une contrainte de cisaillement, un solide se déforme de manière élastique réversible, alors qu’un liquide s’écoule.

S. Balibar/ENS-Paris

Les cristaux liquides les plus simples sont constitués de molécules en formes de bâtonnets ou de disques. Ces molécules peuvent s’aligner spontanément (structures nématiques ou cholestériques) ; dans certains cas, elles peuvent aussi ordonner leurs positions selon une direction de l’espace (structures smectiques).

J. Prost/ESPCI-Paris

Image prise au microscope polarisant d’un filament de phase cholestérique confiné dans un tube capillaire. Source : S. Fraden.

S. Fraden/Brandeis University, Boston

Dans un polymère fondu, on considère que chaque macromolécule rampe dans un tube formé par ses voisines. C’est ce qui explique la grande viscosité du milieu. Toutefois, la taille de ce tube reste un peu mystérieuse car on ne sait pas la relier aux propriétés moléculaires. Cela nécessiterait une description détaillée des enchevêtrements, peut-être en termes de nœuds, ce qui semble très difficile. Pour les expérimentateurs, il est aussi délicat de changer ce paramètre de manière contrôlée.

B. Cabane/PMMH-ESPCI

Quelques morphologies successives adoptées par une microgoutte de ferrofluide soumise à un champ magnétique tournant. Le champ tourne autour d’un axe perpendiculaire au plan de la figure.

J.-C. Bacri/université Paris VII

Les dessinateurs de livres pour enfants représentent généralement les gouttes de pluie qui tombent comme des larmes, renflées d’un côté et pointues de l’autre. Il n’en est rien : une goutte en chute libre est sphérique, ce qui minimise sa surface. Par contre, une goutte d’eau glissant sur une paroi solide peut, dans une certaine gamme de vitesses, présenter une pointe à l’arrière à cause de la friction exercée par le solide sur le liquide. Aux vitesses plus élevées, la traîne de la goutte perd des gouttelettes, et ce décrochement peut devenir chaotique.

L. Limat/ESPCI-Paris

Décollement d’un adhésif par germination de cavités à l’interface adhésif-substrat. Les deux images représentent, vues de dessus, un disque de polymère de 6 mm de diamètre et 100 µm d’épaisseur sous une tension de 4 bars. À gauche, une seconde après l’application de la tension. À droite, 120 secondes plus tard. Les taches circulaires noires sont des bulles, précurseurs du décollement du polymère.

A. Lindner et C. Creton/ESPCI-Paris

Deux molécules d’eau reliées par une liaison hydrogène. Les noyaux des atomes sont indiqués en couleur sombre (pour les oxygènes) et claire (pour les hydrogènes). Les régions ombrées représentent la densité électronique totale. Le tunnel reliant les deux molécules correspond à la liaison hydrogène, établie par une attraction de la molécule de droite vers l’hydrogène de la molécule de gauche. On peut vérifier, par une rotation d’une des molécules, que cette liaison ne s’établit que lorsque les atomes O, H et O sont alignés.

R. Vuilleumier/université Paris-VI

La cohésion d’un liquide est mesurée par l’énergie qu’il faut fournir pour extraire une molécule du liquide (ébullition) ou simplement pour l’amener à sa surface (tension superficielle). La cohésion de l’eau est anormalement forte par rapport à celles des homologues H2S, H2Se, H2Te : par extrapolation de températures d’ébullition de cette série, on attendrait pour l’eau une température d’ébullition située vers – 80 °C, or on la trouve 180 °C plus haut !

B. Cabane/ PMMH-ESPCI

Effet de la liaison hydrogène sur le moment dipolaire des molécules d’eau. Le dimère de la Figure 7.8 est représenté en indiquant l’effet de la liaison sur la répartition des électrons (c’est-à-dire la différence entre la densité électronique totale dans le cas où il y a une liaison, et celle dans le cas où la liaison n’est pas établie). Les zones sombres correspondent à des régions où la formation de la liaison a provoqué une accumulation d’électrons, et les zones blanches aux régions qui ont été vidées de leurs électrons. On observe une structure du type « hamburger multicouches » : les doublets électroniques non liants de l’oxygène de droite (zone sombre centrale) ont chassé les électrons de l’hydrogène (zone claire centrale), et cette influence s’est répercutée de part en part. Il en résulte un renforcement extraordinaire du moment dipolaire de la molécule d’eau, qui vaut 3D dans l’eau liquide, au lieu de 1,85 D pour la molécule isolée.

R. Vuilleumier/université Paris-VI

Deux représentations du réseau cristallin de la glace, montrant la localisation des molécules d’eau (petits disques gris), des liaisons H (tiges) et des cavités (régions gris clair dans l’image de gauche, cubes non occupés dans celle de droite). La glace est un solide plein de vides : les atomes O et H y occupent seulement 46 % du volume total. L’eau liquide est, de même, un liquide plein de vides : les atomes O et H y occupent seulement 49 % du volume total. Ces cavités jouent un rôle important pour les propriétés de l’eau en tant que solvant.

B. Cabane/PMMH-ESPCI

La densité de l’eau varie de manière anormale avec la température : elle diminue à basse température, et celle de la glace est plus faible encore. Cette expansion est due au couplage entre création de liaisons hydrogène et formation de cavités dans la structure de l’eau liquide.

B. Cabane/PMMH-ESPCI.

Les matériaux mous ou granulaires peuvent subir des évolutions spectaculaires et imprévisibles : nous ne savons pas prévoir le déclenchement d’une coulée de boue, ni celui d’une avalanche. Une pente de neige peut ainsi vieillir lentement, en modifiant sa cohésion par différents processus physico-chimiques, ou au contraire « rajeunir » brutalement, en redevenant fluide.

Brad White/www.avalanche.org

Comment allez-vous répartir ces voyageurs en deux groupes, tout en respectant leurs affinités ? Les amis d’une certaine personne dans le premier bus, et ses ennemis dans le second ? Mais il est fréquent d’avoir des groupes de trois personnes qui se détestent chacune deux à deux. C’est un « triangle frustré », et pour l’organisateur c’est un cauchemar : dès qu’il existe des triangles frustrés, il n’y a plus de solution qui contente tout le monde.

D’après M. Mézard/Orsay

Le « problème du voyageur de commerce » consiste à optimiser un trajet passant par N villes. Ce problème symbolise les problèmes d’optimisation des plans de transport de messageries ou bien ceux de la collecte des ordures dans une municipalité.

B. Cabane/PMMH-ESPCI

Vieillissement d’un verre colloïdal, c’est-à-dire d’un empilement de très petites particules. On envoie des photons à travers le matériau, et on mesure la corrélation des photons diffusés. Cette corrélation est proportionnelle au nombre de blocs dans le matériau qui n’ont pas bougé pendant le temps d’échantillonnage. On trouve ainsi une corrélation qui décroît avec le temps, du fait des mouvements spontanés dans le verre (courbes décroissantes dans l’image de gauche). Les différentes courbes sont prises à des temps successifs pendant le vieillissement du matériau. Elles sont décalées, parce que les matériaux plus vieux bougent moins : les particules ont eu plus de temps pour optimiser leur configuration. Plus le temps d’attente tw est long, et plus ces courbes sont décalées vers les temps longs. Le décalage est proportionnel au temps d’attente : à chaque moment, le temps caractéristique de réarrangement du matériau est de l’ordre de son âge.

F. Lequeux/ESPCI-Paris

On peut visualiser le vieillissement d’une pâte par une expérience très simple, dans laquelle on dépose une masse de pâte sur un support incliné. L’étalement s’arrête quand la force due à la gravité est équilibrée par la résistance due au réseau de connexions dans la pâte, distribuée dans tout le film. En augmentant alors l’inclinaison du support, on devrait déclencher un nouvel écoulement. Cependant, la pâte, pendant son temps de repos, optimise son réseau de connexions et peut ainsi résister à un nouvel écoulement, à moins qu’il ne soit provoqué par une force nettement plus grande.

P. Coussot/LMSGC

La résistance d’une pâte peut évoluer au cours de son écoulement. Si la contrainte appliquée est faible, l’écoulement initial est lent, la pâte forme des liaisons entre particules plus vite qu’elle n’en brise : elle vieillit, sa viscosité apparente augmente, et sa vitesse d’écoulement se ralentit encore. Si la contrainte appliquée est forte, l’écoulement initial est rapide, la pâte brise des liaisons entre particules plus vite qu’elle n’en forme : elle rajeunit, sa viscosité apparente diminue et sa vitesse d’écoulement croît encore.

D. Bonn et P. Coussot/ENS et ESPCI-Paris

Glissement le long d’une faille, lors d’un tremblement de terre. Les deux régions de part et d’autre de la faille, soumis à l’action des contraintes de cisaillement tectoniques, se sont déformées élastiquement pendant un temps. Pendant ce temps, la faille était bloquée en raison du frottement solide causé par la « brèche de faille », fragments de roche qui tendent, avec le temps, à se souder. Lorsque la contrainte a atteint une valeur insupportable, la faille s’est mise à glisser de manière instable.

USGS (DR).

Simulation d’un tremblement de terre en laboratoire. Mesure de la force de frottement F (en fait un poids en dizaines de milliers de kilos) entre deux parties d’un cylindre de granit scié à 45°, en fonction du déplacement (en millimètres) le long de l’axe longitudinal. Le « with initial sawcut » signifie que l’échantillon a été scié en deux par un trait de scie oblique (visible sur le dessin du haut) avant l’expérience. La compression axiale produit un glissement saccadé des deux parties qui frottent l’une contre l’autre.

Brace et Byerlee, Science, 153, 1966, 990

Le modèle de Lorenz est une description minimale de la convection thermique d’une couche de fluide à l’aide de trois variables couplées, X, Y, Z. En régime chaotique, les trajectoires issues de deux conditions initiales voisines (dans la région centrale) s’écartent progressivement puis se trouvent dans deux régions différentes de l’espace des phases. Cela illustre l’impossibilité de toute prédiction à long terme.

S. Aumaitre/ENS-Paris

Tourbillons engendrés par le passage d’un corps fuselé dans un fluide. Ce phénomène s’observe au-dessus des fuselages d’avions fortement inclinés par rapport à leur trajectoire. L’air passant de l’intrados à l’extrados décolle et forme deux structures tourbillonnaires. Il en résulte un supplément de force aérodynamique qui peut être bénéfique ou déstabilisant.

ONERA

L’éclatement des tourbillons se formant à l’extrémité d’une voilure d’avion engendre un écoulement très complexe dans le sillage.

ONERA

Prévision saisonnière d’El Niño en 1997. Anomalie de température de surface de la mer : en haut (a), analyse de juillet issue des observations, et en bas (b), prévision à trois mois avec le modèle du CERFACS.

O. Thual et al./CERFACS

Vue du satellite ENVISAT. Parmi les instruments, MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding), GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars) et SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY – non visible sur la figure) sont dédiés à l’étude de l’atmosphère terrestre.

ESA

La luminance de l’atmosphère, observée par le spectromètre à transformée de Fourier MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding). Un tel spectre permet d’analyser à distance la composition de l’atmosphère.

ESA

Évolution depuis 10 000 ans (depuis 1750 en insert) de la concentration en gaz à effet de serre (dioxyde de carbone CO2, méthane CH4, oxyde nitreux N2O). Les mesures proviennent de carottes glaciaires (différents symboles) et de mesures atmosphériques. Sur l’axe vertical de droite est indiqué le forçage radiatif correspondant, en W/m2.

IPCC/GIEC

Évolution de la température moyenne, du niveau de la mer et de la couverture neigeuse de l’hémisphère Nord depuis 1850. Pour les besoins de la comparaison, le niveau zéro de l’échelle de gauche a été fixé à la moyenne des années 1961-1990. Points : mesures annuelles ; lignes noires : moyenne ; bande sombre : incertitudes des mesures.

IPCC/GIEC

Vue schématique du site du laboratoire de stockage de l’est de la France.

ANDRA

Les conteneurs de déchets vitrifiés. Vue d’une coulée de verre, à gauche, et conteneur CSD-V, à droite. Lors du retraitement, les produits de fission et les transuraniens sont « vitrifiés », c’est-à-dire incorporés dans un verre au borosilicate en fusion. Le mélange est coulé à 1 150 °C dans des conteneurs étanches en acier inoxydable appelés CSD-V (conteneur standard de déchets vitrifiés). Leur hauteur est de 1,35 mètre, leur diamètre de 0,43 mètre, et leur volume utile de 150 litres. Le poids moyen d’un conteneur CSD-V est de 490 kilos, soit 90 kilos de conteneur et 400 kilos de verre solide (dont 14 % de produits de fission). Un conteneur CSD-V correspond à environ 1,3 tonne de combustible retraité. Il se caractérise par un dégagement de chaleur important, en moyenne 2,5 kilowatts par conteneur, au moment de sa production. Les conteneurs sont entreposés en puits ventilés, pour leur refroidissement, sur les sites de production de Cogéma à La Hague et Marcoule.

ANDRA

Un téléphone portable à micropile à combustible (Energy Related Devices) avec son réservoir de méthanol amovible, et le prototype Honda FCX-V3 équipé d’un réservoir d’hydrogène sous pression.

a : DR. b : S. Kambayashi

Module de pile à combustible de type PEM, de 1 kW (CEA).

CEA

Image par microscopie électronique à balayage de la section d’un transistor microprocesseur aux environs de l’année 2000 : le volume de la zone active est d’environ 1015 cm3.

IBM (DR)

Évolution de la taille des grilles de transistor (exprimée en nanomètres, c’est-à-dire en millionièmes de millimètres) dans les circuits intégrés, depuis l’invention du transistor CMOS. Chaque fois qu’une limite physique a été atteinte, une rupture scientifique, indiquée ici à la droite de la taille limite en question, a permis de poursuivre cette progression. Quelques étapes à franchir, nécessaires pour poursuivre encore cette miniaturisation, sont indiquées avec des points d’interrogation.

E. Rosencher

Vue en coupe de onze niveaux d’interconnexions dans un circuit intégré contenant plusieurs dizaines de millions de transistors. La difficulté de fabrication croît exponentiellement avec le nombre de niveaux. Aucune solution n’est en vue pour des circuits qui comporteraient des dizaines de milliards de transistors.

DR.

Tordre et étirer une molécule d’ADN unique : les molécules d’ADN sont introduites dans un capillaire disposé sur un microscope inversé. Des aimants réglables en hauteur et pouvant tourner sur eux-mêmes permettent d’appliquer une contrainte de traction et de torsion sur la molécule par l’intermédiaire d’une microbille magnétique. Une caméra numérique reliée à un ordinateur enregistre les déplacements de la bille (agrandissement). L’ADN est fixé à la bille recouverte de streptavidine par son extrémité biotinilée et à la surface recouverte d’antidigoxigénine par son autre extrémité traitée à la digoxigénine.

A. Roux/CNRS

Visualisation de l’action d’une topoïsomérase unique sur une molécule d’ADN torsadée : la rotation de la microbille magnétique induit une torsade dans la molécule d’ADN, du même type que celle obtenue à la maison lorsqu’on tord un cordon de téléphone. Cette torsade diminue la distance de la bille au substrat (portée en ordonnée sur la figure). La topoïsomérase permet aux doubles brins de se traverser en se reconnectant parfaitement : chaque passage d’un double brin à travers l’autre relâche une unité de torsade, ce qui accroît la distance de la bille au substrat. Lorsque la concentration d’ATP est faible, on observe un accroissement par pas correspondant à chaque cycle catalytique d’une seule enzyme.

J.-F. Allemand et al., « Le jokari moléculaire », Biofutur, 190 : 26-30, 1999

Expérience de K. Kinosita : l’enzyme qui synthétise le carburant cellulaire est un moteur rotatif ! L’unité protéique γ biotinilée se fixe de manière spécifique sur le filament d’actine lui-même biotinilé par l’intermédiaire d’un « pont » streptavidine. De manière tout aussi spécifique, les unités β sont liées à une lamelle de microscope, de sorte que le montage ressemble, à un facteur d’échelle près, à un hélicoptère muni de ses pales. Il faut cependant imaginer des pales d’un kilomètre de long pour garder les proportions ! L’observation du filament d’actine fluorescent au microscope révèle que les pales de l’hélicoptère tournent jusqu’à quelques tours par seconde en présence d’ATP ! Une analyse plus poussée montre que cette enzyme fonctionne comme un moteur rotatif tournant par pas de 120°. Le « marqueur » de rotation peut être réduit à la polarisation d’un simple fluorophore : dans ce cas, les vitesses de rotation peuvent égaler celles d’un moteur de voiture de course (8000 tours/ min) ! Inversement, si l’on force la rotation par un couple extérieur, l’enzyme devient productrice d’ATP, son rôle véritable in vivo.

V. Croquette/ENS-Paris

Changements de conformation induits par l’ATP chez des chaperonnines. Les chaperonnines sont des protéines qui pilotent le repliement des protéines dans leur forme biologiquement active. Les protéines pénètrent dans la cavité des chaperonnines dans leur conformation ouverte. Un « couvercle » correspondant à une autre protéine, non montrée ici, les maintient dans cet espace confiné pendant que la paroi interne de la cavité initialement hydrophile devient hydrophobe. À la réouverture, la protéine est relâchée dans son état natif (avec une probabilité d’ordre un). Le cycle d’activité de ces enzymes est activé par l’ATP. Les figures A et B correspondent à des images moyennes d’une de ces chaperonnines en absence (A) et en présence (B) d’un analogue non hydrolysable de l’ATP.D et E sont des images moyennes d’une autre chaperonnine en absence (D) et en présence (E) de ce même analogue. Dans C et F un schéma des mouvements induits par l’ATP est indiqué. La barre d’échelle a une longueur de 50 nanomètres. Une suggestion alternative a récemment été proposée à la suite de simulations numériques : le complexe arrive toujours par paire accouplée par la base (A, B, D, E). Le changement hydrophile/hydrophobe dans une des cavités provoquerait l’extrusion de la protéine vers l’autre cavité restée hydrophile et c’est l’extrusion qui façonnerait la conformation de la protéine.

K. Kinosita, in Noji et al., reproduit avec l’aimable autorisation de Nature, 386, 299-302, 1997, Macmillan Publ. Ltd

Réseau de nanotubes membranaires tirés par des « moteurs moléculaires » à partir de vésicules « géantes », « ballons » de quelques dizaines de microns dont la paroi est constituée d’une bicouche lipidique fluide. Les tubes creux de 30 à 50 nanomètres de diamètre sont formés de la même bicouche lipidique et peuvent atteindre plusieurs dizaines de microns de longueur. On a récemment découvert qu’ils jouent un rôle important dans le transport intracellulaire. On ne sait pas à l’heure actuelle quelles sont les contributions respectives du transport par ces tubes et du transport par des vésicules sphériques, dogme des années passées. La physique de ces structures, en voie d’élaboration, marie l’hydrodynamique classique – comme l’instabilité de Rayleigh – à la physique des transitions de phase en dimensionnalité réduite sur des surfaces de topologie variable. À la clé, la compréhension du tri et de la distribution des protéines à l’intérieur de la cellule. D’autres problèmes comme celui de la dynamique du cytosquelette, source de la mobilité cellulaire, s’apparentent conceptuellement à la relativité générale. La profonde unité de la physique apparaît nettement dans le vivant comme dans tous les champs de la science.

S. Marco/CNRS.

La main de Mme Röntgen, radiographiée par W.C. Röntgen le 22 décembre 1895.

DR.

Frédéric Joliot et Irène Joliot-Curie dans leur laboratoire.

ACJC-Fonds Curie et Joliot-Curie

Une image du cerveau obtenue avec un scanner à rayons X.

G.N. Hounsfield, Conférence Nobel, 1979

Détection de la maladie d’Alzheimer grâce à la tomographie par émission de positrons (TEP). La caméra détecte des variations du débit sanguin, grâce à l’injection d’un marqueur du métabolisme énergétique, un analogue du glucose marqué au fluor 18, le18F-FDG. À gauche, cerveau normal ; au milieu, maladie débutante ; à droite, maladie sévère.

A. Syrota et al./SHFJ-CEA Orsay

Imagerie fonctionnelle par résonance magnétique nucléaire (IRM). En haut, zones activées lorsque le sujet effectue un calcul exact. Pour un calcul approximatif (en bas), des zones différentes sont activées.

S. Dehaene et al., Science, « Sources of mathematical thinking : Behavioural and brain-image evidence », 1999, vol. 284, p. 972

Applications principales de l’IRM de diffusion.

A : Source ?. B : Dr Koyama/Kyoto University, Radiology Department. C : V. el Kouby, Y. Cointepas, M. Perrin, C. Poupon/SHFJ/CEA-Orsay