Voilà, ça y est. Je vais essayer de vous parler "rapidement" des ondes qui se balladent dans la matière, à travers l'exemple des ondes sismiques. En effet, ce sont les seules qui peuvent pénétrer au plus profond de notre planète et leur étude permet donc d'étudier sa structure, comme une échographie ou une IRM pour le corps humain.Comme c'est pas un sujet simple, je vais le faire en plusieurs fois. En commençant par le premier type d'onde, dit "onde P".
Alors une première difficultés, c'est de savoir ce qu'est une onde. On peut considérer qu'une onde dans la matière, c'est une vibration qui se propage de proche en proche.
En l'occurrence, au plus profond de la Terre, la vitesse de propagation de ces ondes est de l'ordre de 5-10 km/s, suivant le type d'onde considérée. Et le déplacement de matière qu'elles induisent "loin" de l'épicentre du séisme (quelques centaines de km), est parait-il en moyenne de l'ordre du millième de mm (le micron).
Pas grand chose donc. Pourtant en surface, les effets et donc les dégâts peuvent être considérables.
Pour s'y retrouver, il faut déjà savoir que quand la matière vibre, il y a 2 types différents d'onde à l'intérieur (ce sont les ondes de volume, appelées ondes P et ondes S), et en surface, il y en a encore plus, mais essentiellement deux en sismologie (l'onde de Love et l'onde de Rayleigh).
Dans la vie courante, on est essentiellement familiarisés avec l'onde P !
En effet, le son en est la manifestation la plus simple.
En gros, quand un son se propage dans l'air (émis par une source ponctuelle pour simplifier), ou dans un fluide, on a une propagation qui ressemble a la forme des vagues concentriques engendrées par un caillou jeté dans l'eau.
Sauf que l'on considère un volume, donc on a des sphères concentriques de plus en plus grandes à la place des cercles concentriques sur la surface de l'eau.
Enfin, quand je dis "sphères concentriques", c'est pas tout à fait vrai, mais c'est quand même une bonne approximation de la réalité, surtout si la source est ponctuelle (un claquement de doigt par exemple).
En tous cas dans les deux cas, les molécules vibrent au passage de l'onde et communiquent leur vibration aux autres molécules, de proche en proche.
Comme un nombre très grand de ressorts reliés les uns aux autres dans toutes les directions.
Au passage, le fait que chaque molécule d'air en entraîne d'autres au passage du son, a pour conséquence que lorsque l'on parle dans une pièce, on augmente la température de la pièce ! De manière infime bien sur, mais on sait le calculer et le mesurer !
Outre la forme de la propagation de l'onde, il y a quand même une différence importante avec les vagues.En effet, lorsque la vague se propage en surface, elle entraîne les molécules d'eau dans un mouvement elliptique.
Ce mouvement est composé d'un mouvement vertical, donc perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde, et d'un mouvement dans la même direction que la propagation de la vague (direction radiale si la vague est concentrique).
Pour les sons, il n'y a qu'un seul type de déplacement des molécules : dans la même direction que la propagation de l'onde (on parle de vibrations de matière longitudinales).
Pour en revenir aux ondes dans la matière, le premier type d'onde (et la plus rapide) est l'onde P (P pour onde de Pression). Comme le son, c'est une onde longitudinale, la matière est alternativement comprimée et dilatée à son passage, comme on peut le voir sur le dessin suivant.
On peut donc par extension parler de sons dans la matière, si l'on parle d'une onde de pression.
Cette onde se propage dans l'air à 340 m/s (à 20 ° Celsius), dans les océans à 1500 m/s et dans les aciers à 5000 m/s.
Bref, plus le milieu est rigide, plus les molécules sont collées les unes aux autres, et plus le son va vite. A contrario, aucun son ne peut se propager dans le vide.
Et on retrouvera pour toutes les ondes le fait que leur vitesse dépend essentiellement des caractéristiques mécaniques du milieu qu'elles traversent.
Conclusion :
C'est cette direction du déplacement par rapport à la direction de propagation de l'onde qui caractérise les différents types d'ondes dans la matière.
Dans les fluides, il n'y a qu'un seul type d'onde, l'onde de pression, bref, le son.
PS : en attendant la suite, un autre type d'onde, qui n'existe que dans les solides, l'onde de cisaillement ou onde S (S pour "shear", qui veut dire cisaillement)
Là encore la flèche indique la direction de propagation de l'onde.
Les conceptions actuelles de l'univers ont trouvé leur fondement en Grèce à l'époque d'Empédocle, au Veme siècle avant Jésus-Christ. Sur ces traces, Platon affirmait que le feu, l'air, l'eau et la terre étaient les quatre éléments fondamentaux du milieu spatial. Chacun était représenté par une figure géométrique, un polyèdre régulier plus ou moins complexe dont les combinaisons étaient capables de produire les "phénomènes de génération", les substances les plus complexes. "Ces quatre éléments de base étaient si petits, disait Platon qu'ils ne pouvaient être perçus individuellement. Au contraire lorsqu'ils se groupent, les masses qu'ils forment deviennent visibles. [...] tout ce qui touche leurs rapports numériques [...] est réalisé par dieu de façon exacte, qui a ainsi harmonisé mathématiquement les éléments".
A ce propos, Werner Heisenberg s'était étonné en 1955 que cette représentation géométrique et mathématique de la cosmologie avait été conservée jusqu'à aujourd'hui, bien que sous une forme très évoluée. On continue en effet à utiliser des figures géométriques en physique moderne et l'on tient compte de considérations mathématiques, de symétrie, etc pour tenter de représenter le Monde.
Mais le modèle de Platon n'était pas parfait. L'eau, l'air et le feu pouvaient se transformer les uns dans les autres mais pas la terre qui pouvait se décomposer. Aristote, le meilleur élève qu'il ait eu soutenait dans sa critique que son maître devait accepter "de soumettre tous les éléments à la génération mutuelle à partir de la dislocation des surfaces. Car ce qui est rationnel relève aussi de l'expérience sensible".
Platon restait impuissant à expliquer le rapport des surfaces ou des volumes des formes géométriques différentes du cube. Son modèle cosmologique fonctionnait quasiment bien en deux dimensions, mais dans l'espace il devait faire appel au démiurge. L'expérimentation étant encore à ses balbutiements, les mathématiques étaient primitives et les outils de mesures ne disposaient pas encore d'étalon de référence. Dans ces conditions, il n'est pas exagéré de dire que jamais Platon n'a soumis ses théories au verdict de l'expérience comme l'aurait souhaité Aristote.
Si Platon aurait sans doute renié ce modèle de réaction subatomique, Démocrite l'aurait peut-être apprécié. Il s'agit de la mise en évidence des quarks et des gluons dans l'annihilation mutuelle d'un électron et de son antiparticule.
A la même époque, le philosophe grec Démocrite considérait déjà que la matière était constituée d'atomes qui se déplaçaient dans le vide de façon mécaniste. Son intuition ne sera reconnue que... 2200 ans plus tard par Lavoisier. Cette similitude entre les théories grecques et contemporaines est étonnante et on retrouve dans le "Timée" de Platon plusieurs expressions qui supportent la comparaison avec nos théories actuelles. L'intuition de ce génial philosophe nous guidera longtemps.
De nos jours, grâce à l'invention des accélérateurs de particules, des cyclotrons, synchrotrons et autres collisionneurs, les physiciens ont très vite assimilé la méthode de travail qui leur permettait de découvrir de nouvelles particules élémentaires et d'expliquer le comportement étrange de certains noyaux. En fait, à partir des traces photographiques des particules, de leurs effets électriques, de leur diffusion angulaire et de la répartition des énergies, les physiciens peuvent déterminer le poids relatif des particules et déduire les propriétés des structures qui ont provoqué ces processus. La méthode est très complexe. En une quarantaine d'année, sur quelque 9000 noyaux pouvant théoriquement être créés - isotopes et isotones compris - quelque 2000 ont été étudiés, parmi lesquels 92 seulement sont des noyaux naturels, les 83 premiers étant stables sur Terre. Tous les autres éléments sont instables. En bombardant ces structures avec des énergies de plusieurs milliards d'eV, ils ont pu découvrir plus de 200 particules et 8 formes de noyaux tout à fait aberrantes, des noyaux dits "exotiques" ayant la forme prolate, de poire, etc.
Que représente l'énergie d'une particule ? Pour rappel, l'énergie cinétique d'un corps vaut Ec = ½ mv2. Appliquée à un grain de sable transporté par le vent à 1 m/s, cela représente une énergie de l'ordre du nanojoule, l'équivalent de 6 GeV. Dans les mêmes conditions, l'énergie d'un électron est douze mille fois plus faible.
Pourquoi dès lors ne pas utiliser des grains de sable ou des corps plus massifs pour étudier les soubassements de la matière, au lieu de s'acharner à lancer des électrons ou des particules plus massives les unes contre les autres ?
En fait notre comparaison s'arrête ici. En effet, la densité d'énergie d'un grain de sable, c'est-à-dire sa densité par unité de volume est de loin inférieure à celle de l'électron qui est une particule élémentaire. En fait l'électron ne doit pas partager son énergie avec les atomes et les molécules qui constituent le grain de sable.
Les accélérateurs de particules et autres collisionneurs ont donc été inventé dans le but d'étudier les particules élémentaires ou composites et sont adaptés aux corps ponctuels qui, lancés les uns contre les autres, peuvent produire des énergies collossales, suffisantes pour créer de la matière, ce qu'un grain de sable ou même une bille de plomb ne pourrait jamais réaliser.
Les électrons sont donc plus énergiques que n'importe quelle autre particule composite (proton, etc) et produisent également des collisions plus propres et plus fines donnant une “cartographie” plus détaillée des phénomènes étudiés.
En étudiant les débris du Big Bang, les physiciens ont pu regrouper les particules en un certain nombre de familles. D'un autre côté, grâce aux accélérateurs de particules, théoriciens et expérimentateurs connaissent à présent les énergies requises pour créer la matière.
On entend tout le temps parler du réchauffement climatique ! Pourtant peu de gens s'interressent réellement (i.e. sérieusement) à la climatologie.Moi non plus d'ailleurs, mais des fois j'essaie de faire un effort... À ce titre, je vous conseille la revue Pour la science qui est dans l'ensemble excellente malgré le nombre (à mon avis ridicule) d'articles consacrés à la mécanique et à la biomécanique (domaine qui traite aussi bien de l'étude des tissus vivants et de leurs propriétés mécaniques que des biomatériaux, de l'orthopédie mais qui est bien d'autres choses encore... escusez cette nouvelle digression). Par contre cette revue a les défauts de ses qualités, c'est-à-dire qu'elle s'adresse à des gens qui ont une certaine curiosité et un minimum de culture scientifique. Quoiqu'il en soit, sur l'évolution des climats, même les spécialistes ont du mal à se mettre d'accord sur des prédictions, y compris à court terme (disons 30 ans). Pour ajouter à la confusion générale, je mets un petit lien tiré du site "Yahoo actualités". (En plus ça a encore un rapport avec l'astronomie !! Que demande le peuple, alors ?)
Pour finir, un petit clin d'œil aux admirateurs de "Bruce Willis" (façon 5e élément ou Armageddon) : on se rappele le fort soupçon qui reposa un temps sur la météorite tombée il y a 65 millions d'années sur le site de Chicxulub, non loin de notre ami DocRol...
Bachelor ?C'est de moi qu'on cause alors ?
D'accord, mais je persiste à dire, eut égard à ma modestie, qu'il me semble plus interressant de parler de la chromodynamique quantique. En effet, des expériences "récentes" semblent confirmer l'existence (purement théorique auparavant) d'un plasma de quarks et de gluons... Bref, en exhibant ce nouvel état de la matière, la physique de l'infiniment petit rejoint ici celle de l'infiniment grand...
Apparemment, la galaxie dans laquelle nous sommes vibre, comme toutes les autres.En fait toutes les structures vibrent autour de quelques modes privilégiés, selon la répartition des rigidités dans les différentes directions (le cas le plus simple en 1 dimension étant celui du ressort à spires non jointives)
Mais je n'avais jamais pensé qu'il en était de même pour les galaxies ou les amas de galaxies... alors que ça pourrait sembler évident.
On en apprend un peu plus dans un article interressant aujourd'hui.
Dans l'article (qui vient de l'AFP), ils relient les vibrations au problème de la masse manquante (ou "sombre" ou "cachée", qui est il me semble un probleme connu depuis les années 30). Je crois que la masse estimée de l'ensemble des étoiles ne réprésente que 1 % de la masse estimée de l'univers. En rajoutant les nuages de gaz et le reste de la matière, je crois qu'on atteint 10 %, d'après les observations "récentes" (observations du mouvement des étoiles dans les galaxies, et des galaxies dans les amas de galaxies, voire superamas de galaxie).
Mais alors quid des 90 % de la masse de l'univers ? Où qu'elle est passée alors ? Eh bien on ne sait toujours pas trop, même si des observations récentes mettent les spécialistes sur différentes pistes. D'abord plusieurs candidats plus ou moins exotiques : à une époque les neutrinos car on n'avait alors aucune idée de leur masse, ou même s'ils en avaient une, mais maintenant on a une limite inférieure à leur masse suivant leur type (électroniques, tauiques ou muoniques), donc l'explication des neutrinos ne suffit pas, il manque encore de la masse... Il y a quelques années, j'avais entendu parler (dans une conférence de vulgarisation de ces problèmes) de particules "exotiques" nommées WIMPS (Weakly Interacting Massive Particle) ou MACHO (!!), acronyme de MAssive Compact Halo Objects, ici un article sur les Wimps et un autre sur les Macho. Par contre, ce dernier site n'est pas un site "officiel", c'est juste un site de passionnés, avec les risques d'erreurs que cela comporte... quoique les "zautorités compétentes" se trompent aussi assez souvent, en particulier dans ce domaine.
Pour finir, un article récent (à relier au premier) parle d'un gigantesque nuage moléculaire mis en évidence "à proximité" de notre galaxie. Ou en son sein, je ne me rappelle plus et je ne retrouve pas l'article (!).
Sur ce, je vous invite à aller observer un peu le ciel ce soir.
