Nouveauté octobre 2013, mon livre "Les Indispensables astronomiques et astrophysiques pour tous" est sorti en poche, 9,5€ (éditions Odile Jacob, éidtion originale 2009).
Comme mon premier livre (Les Indispensables mathématiques et physiques), c'est un livre de notions de base
illustrées avec des exemples concrets, s'appuyant sur les mathématiques (géométrie notamment) pour l'astronomie, et sur la
physique pour l'astrophysique. Je recommande vivement sa lecture.
Enfin, à signaler, pendant la Fête de la Science du lundi 8 au dimanche 14 octobre, les vingt ans de la sympathique revue Tangente, revue de vulgarisation des mathématiques du 10 au 12 octobre à la Mairie du V° à Paris (télécharger le programme ; j'ai le plaisir d'y faire une conférence le vendredi 10 à 15h, Vous reprendrez bien un peu de mathématiques ?)L’ESA (Agence spatiale européenne) a annoncé (Le Monde du 22 septembre) le lancement au 31 août 2008 du futur satellite d’observation Herschel (du nom de l’astronome allemand 1738-1822). Ce satellite observera les régions lointaines de l’univers (donc les plus anciennes), rayonnant dans l’infrarouge (longueur d’onde supérieure au rouge visible, comprise entre 1 micromètre et 1 millimètre), à des températures très froides (juste au-dessus du zéro absolu).Nous nous sommes intéressés à cette occasion à la théorie et aux applications du rayonnement dans l’infrarouge.
La théorie est directement issue du rayonnement du corps noir (qui a donné naissance à la mécanique quantique en 1900), qui nous indique qu’un corps noir (pour simplifier : un corps non perturbé par d’autres types de rayonnement) émet de la lumière suivant cette courbe, le maximum d’émission variant en fonction de la température du corps. La figure ici est à l’échelle des très hautes températures stellaires (par exemple pour le Soleil, à température 5 800K, on trouve un maximum de longueur d’onde 0,5µm proche du jaune) (l’application de l’approximation de Wien du corps noir donne λ en micromètres = 2900 / T) , mais la forme des courbes reste valable à toute température, justement revenons vers des températures plus basses.
La première « application » de la théorie du corps noir à basse température est le fameux rayonnement thermique de fonds cosmologique, découvert par Penzias et Wilson en 1964 en montant une antenne radio : ils captent un rayonnement infrarouge persistant et isotrope de longueur d’onde correspondant à une température juste au dessus du zéro absolu, vers 3K. Ce rayonnement est interprété comme le résidu du rayonnement initial de l’univers très chaud au moment de sa création, il y a environ 13,7 milliards d’années.
Remontons à température terrestre ambiante (on reste dans les basses températures par rapport au rayonnement des étoiles !), et découvrons une deuxième application, plus proche de nous, du rayonnement thermique infrarouge. Elle est tout simplement basée sur le fait que notre corps, à 37°C donc 310K, émet, comme un corps noir, un rayonnement de longueur d’onde environ 10 µm (infrarouge moyen). Ce rayonnement n’est pas mesurable le jour car notre corps et les objets environnants reçoivent la lumière solaire : la nuit, toutefois, ce rayonnement est mesurable et est à la base des caméras infrarouge de vision nocturne, comme vous pouvez en voir dans les films de guerre ou policiers.(image S. Giguère astro-canada.ca)
Notons que l’ensemble des objets vivants ou non rayonnent tel un corps noir : c’est parce que notre corps, à 37°C, est en général plus chaud que les objets ou végétaux environnants (à température ambiante) qu’un contraste s’établit, permettant de voir une personne la nuit.
Il y a beaucoup à dire sur le rôle de l'atmosphère dans les phénomènes astronomiques: rôle protecteur (protection des UVs solaires, rétention de la chaleur dans l'atmosphère), mais aussi rôle qui peut être perturbateur dans l'observation astronomique. L'interaction de l'atmosphère avec les rayons lumineux solaires (diffusion, réfraction,...) est aussi à l'origine de nombreux phénomènes naturels connus : couleur bleue du ciel, couleur rouge du soleil couchant, arc-en-ciel, couleur rouge de la Lune lors d'une éclipse de Lune (cf. billet précédent) rayon vert lors du coucher de soleil (en ce qui me concerne, je n'ai jamais observé ce dernier phénomène).
Intéressons-nous au premier de ces phénomènes, la couleur bleue du ciel. Elle est due à la diffusion des rayons solaires par l'atmosphère terrestre. Un rayon solaire arrive avec l'intensité I (figure) sur une molécule de l'atmosphère (oxygène, azote, dixoyde de carbone,...). Une proportion KI (K < 1) de l'intensité est diffusée de manière omnidirectionnelle, seule une proportion (1-K)*I est transmise. La loi de Rayleigh nous dit que la diffusion par une molécule gazeuse est proportionnelle à l'inverse de la quatrième puissance de la longueur d'onde (lambda ^4).
Ainsi, la couleur bleue qui a la plus faible longueur d'onde (400 nm) a un facteur de diffusion K quasiment 16 fois supérieur à la couleur rouge qui a la plus forte longueur d'onde (780 nm). Elle diffuse donc de manière omnidirectionnelle avec la plus forte intensité, d'où la couleur bleue du ciel.
Pierre Veltz, ancien directeur de l’Ecole des Ponts, nous livre une petite analyse sur les grandes écoles françaises. L’idée principale est que les grandes écoles, qui ont un enseignement très généraliste, ne contribuent pas au développement scientifique et technologique du pays autant qu’elles le pourraient et devraient. Comme Laurent Schwartz le déplorait dès 1977 dans un article du Monde, les jeunes les plus doués pour la science et la technologie en sont massivement détournés… Ils sont aspirés par des carrières de management sans qu’à aucun moment dans leur enseignement en grande école l’esprit de la recherche ou l’esprit de création leur aient été insufflés.
Du point de vue du recrutement en entreprise, la conséquence en est le cercle vicieux suivant : non-valorisation du titre de docteur dans nos entreprises <---> prééminence du recrutement dans les grandes écoles pour des carrières généralistes.
Du point de vue de l’enseignement secondaire, la conséquence en est le paradoxe suivant, que nous citons : " Le paradoxe du système français est donc à la fois d’obliger à des choix très précoces, entre la filière scientifique et la filière littéraire (dès la classe de seconde), entre la filière scientifique et la filière management (dès le bac), et en même temps de repousser le plus tard possible les choix concrets engageant vraiment la personnalité et les motivations". Apparaît une division entre un corps scientifique et un corps "lettré", dépourvu des notions élémentaires de la science moderne.
Du point de vue de l’économie elle-même, la conséquence en est critique pour notre pays : car dans l’économie de la connaissance dans laquelle nos entreprises sont impliquées, de plus en plus les techniques industrielles touchent à des process élémentaires décrits par les sciences fondamentales. Par ailleurs, les percées scientifiques ou techniques sont à présent "diagonales" (informatique, biologie), alors que l’enseignement généraliste des grandes écoles s’est très peu adapté à l’interdisciplinarité.
En réaffirmant l’importance des grandes écoles, l’auteur conclut en préconisant leur réforme (par exemple le regroupement Mines-Ponts), à mener en parallèle de la réforme de l’université (mais sans fondre les unes dans l’autre).
Nous allons, avec cette relation, essayer de construire le ballon de football, en partant du principe qu’il est composé d’hexagones (au nombre de x) et de pentagones (au nombre de y), et en sachant que ce sont des bouts de cuir plats qu’on veut coudre pour en faire ce qui se rapproche le plus d’une sphère.
A signaler que le cas c/ ci-dessus (que des pentagones, disparition des hexagones) conduit au solide à 12 pentagones, c’est le dodécaèdre à 12 faces et 20 sommets : voir ci-contre, cela ressemble à un ballon de foot mais n’en est pas un. Je ne sais pas à quel solide correspond le cas b/, s’il correspond à quelque chose.
(image S. Mehl) Simplement pour vous signaler deux rajoûts iconographiques sympa dans deux articles précédents sur la physique:
- article sur "Votre Tour de Pise à vous", une belle vidéo NASA (via Youtube) montrant les astronautes d'Apollo XV faisant tomber sur la Lune un marteau et une plume à la même vitesse.
- article sur "Moment cinétique et effet roue de vélo", une photo d'Einstein illustrant lui-même ce phénomène!
La différence entre masse inerte et masse pesante m’apparaît d’une grande subtilité, j’en suis fasciné tout autant que par la démarche du physicien hongrois Roland Eötvös (1848 – 1919), qui passe trente années de sa vie (à partir de 1886) à caractériser expérimentalement cette différence. Ses travaux sont d’autant plus fondamentaux qu’ils inspirent Einstein en 1907 dans son principe d’équivalence entre gravitation (masse pesante) et accélération (masse inerte), prélude à la relativité générale de 1916 ; encore aujourd’hui, les physiciens vérifient dans l’espace en permanence la relativité générale, notamment en mesurant au plus précis l’identité entre masse inerte et masse pesante.
L’association la plus parlante entre ces deux masses est celle du pendule, ou tout simplement du fil à plomb. La force centrifuge liée à la rotation de la Terre sur elle-même influe sur le fil à plomb suivant sa latitude : au pôle, elle est nulle, et le fil à plomb est dirigé vers le centre de la terre ; à l’équateur, elle n’est pas nulle, mais dans la même direction que le poids, en sens contraire, le fil indique donc le centre de la Terre ; en une latitude autre, la force centrifuge (et la masse pesante) dévie légèrement la direction du fil à plomb par rapport au centre de la Terre… 
Eötvös compare deux corps de même masse pesante mg (mg du corps 1 = mg du corps 2), et compare la force d’inertie sur ces deux corps, égal à mi Ω² R sinλ cosλ. Le dispositif utilisé est ingénieux : si cette force d’un côté est supérieure à l’autre (mi du corps 1 supérieure à mi du corps 2), on verra une torsion du fil mesurée par le déplacement d’un miroir. En fait Eötvös, prenant une masse de platine toujours identique d’un côté, et mettant d’autres corps de l’autre côté, n'observe pas de torsion, et mesure l’égalité de la masse inerte mi et de la masse pesante mg à 10-8 près.
Mon dernier ouvrage est sorti le 14 octobre 2010 : Récréations mathéphysiques (éditions Le Pommier) (détails sur ce blog)
J'ai aussi un thème de recherche, l'alterscience, faisant l'objet d'un cours que j'ai professé à l'EHESS en
2008-2009 et 2009-2010. Il était en
partie fondé sur mon second livre, "Einstein, un siècle contre lui", Odile Jacob, octobre 2007, livre d'histoire des sciences (voir billet sur ce blog, et notamment ses savoureux commentaires).
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