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earthquake
Alors que la Chine a subi hier un tremblement de terre (magnitude 6,9) et le Salvador en a subi un il y a quelques jours aussi (magnitude 7,2), on peut se demander ce qu’est cette « magnitude 6,9 » et à quoi il correspond concrètement.

Tout d’abord, quand un séisme se produit, il est nécessaire de quantifier l’intensité de ce séisme. Ceci permet aux autorités de déployer des moyens appropriés, mais aussi de savoir s’il y a un risque immédiat de tsunami, et/ou d’autres séismes « répliques » dans les heures ou jours qui vont arriver.

Pour mesurer l’intensité du séisme, il s’agit de mettre un nombre sur l’énergie libérée par le tremblement de terre. La magnitude correspond alors à ça : plus la magnitude est élevée, plus l’énergie libérée est importante. La magnitude d’un séisme est un nombre sans unité.

Il y a plusieurs façons de la mesurer, plusieurs échelles.

L’échelle de Richter

L’échelle de Richter n’est plus utilisée.
Cette échelle était basée sur l’amplitude de déviation de l’aiguille de sismographe, mais il est possible que cette dernière sature, car l’aiguille n’a qu’une course limitée. Des mesures au delà de cette limite étaient donc impossibles.
De plus, la formule utilisé par Richter n’est physiquement pas homogène et ne marche que pour les séismes en Californie ; à cause de la nature du sol, la vitesse et l’angle de propagation des ondes sismiques, intégrés « en dur » dans les constantes de calibration de la formule.

Bien que le nom Échelle de Richter soit resté, le nombre donné est en fait calculé avec l’échelle de magnitude du moment.

L’échelle de magnitude du moment

L’échelle de magnitude du moment est plus précise et elle apporte plusieurs corrections par rapport à l’échelle de Richter :

  • elle marche partout sur Terre ;
  • elle tient compte de la nature de la roche ;
  • elle prend en compte du type d’ondes sismique (transversale, longitudinales…)
  • elle intègre l’observation des déplacements de terrain

Les deux échelles ont un point commun : ce sont des échelles logarithmiques.
Passer d’une magnitude à une autre multiplie l’intensité réelle du séisme. Ainsi, une augmentation de 1 dans la magnitude correspond à une multiplication par 31 de l’énergie libérée ! L’amplitude des secousses est, elle, multipliée par 10.

Il en découle que la l’énergie libérée par un séisme de magnitude 9 est 27 000 fois plus importante qu’un séisme de magnitude 6.
Dans l’autre sens, pour un séisme deux fois plus puissant qu’un autre, la magnitude est seulement 0,2 points au dessus. Un séisme de 7,2 peut donc faire le double de dégâts qu’un séisme de 7,0.

Sources :

image de Richard Walker

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici)

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photo of a mechanical watch
Le voyage temporel est une question qui fait couler beaucoup d’encre, tourner beaucoup de films et réfléchir beaucoup de scientifiques. Voici un petit point sur la question.

En physique relativiste, on place la dimension du temps sur le même plan que les dimensions spatiales. L’ensemble forme donc une seule entité appelée « espace-temps ». L’hypothèse selon laquelle on devrait pouvoir se déplacer sur l’axe temporel aussi bien que l’on se déplace sur les axes de l’espace n’a donc rien d’absurde en soi.

Partant de là, pour un voyage dans le temps, on a deux possibilités : voyager dans le futur et voyager dans le passé. Les deux sont des cas radicalement différents et il convient de les traiter de façon séparée et c’est ce que je vais donc faire ici.

Voyager dans le futur

Si je vous disais qu’on voyage actuellement dans le temps, vous me croiriez ? On voyage dans le futur à raison d’une seconde par seconde.
Ça a l’air idiot dit ainsi, c’est pourtant la réalité. Le temps qui passe n’est rien d’autre qu’un voyage inlassable le long de l’axe temporel, du passé vers le futur en restant sur l’instant présent.

Bon à part ça, tel qu’on l’entend habituellement voyager dans le futur n’est pas exclu par la physique. Le voyage dans le futur ne crée en effet aucun paradoxe ou problème temporel. En fait c’est même possible.

Maintenant, imaginez : plutôt que que de voyager dans le futur à raison d’une seconde chaque seconde, vous avanciez dans le futur à raison de deux secondes chaque seconde. Si vous faisiez cela et que votre ami ne le faisait pas, alors vous vous retrouveriez en avance sur l’axe temporel par rapport à votre ami. Vous seriez dans son futur.

Dans cet exemple, on a un « facteur temporel » de 2 : vous avancez deux fois plus vite dans le futur que le reste du monde. On peut prendre un facteur bien plus grand : en prenant 3 600, chaque seconde pour vous permettrait d’avancer d’une heure dans l’avenir que le reste des gens.
Et se placer dans un tel cas est faisable : la relativité restreinte nous dit que chaque référentiel (chaque lieu, chaque personne, chaque planète…) dispose de son propre écoulement du temps. Deux personnes peuvent donc avoir des horloges qui avancent à deux vitesses différentes, et donc que l’une avance plus rapidement dans le temps que l’autre.

En pratique, pour que votre horloge avance plus vite que celle du reste du monde, il y a deux possibilités :

  • soit se déplacer à une vitesse très importante par rapport au reste du monde.
  • soit se placer à côté d’un très intense champ gravitationnel (comme celui d’un trou noir supermassif).

À la fois la vitesse de déplacement relative au reste du monde et la soumission à un champ gravitationnel ont une influence sur l’écoulement du temps.

Quand on se déplace à très grande vitesse (proche de celle de la lumière), notre temps semble s’écouler beaucoup moins vite pour quelqu’un qui serait resté immobile et qui nous observe. Ainsi, si vous montiez dans un vaisseau spatial et que vous faites un voyage à très grande vitesse, il pourra s’être écoulé 100 ans sur Terre alors que vous n’auriez vécu qu’un an. Les gens restés sur Terre verront alors atterrir une personne jeune qui existait par le passé. Dit autrement, vous auriez effectué un bond dans leur futur.

La seconde possibilité pour voyager dans le futur est de se placer dans un champ gravitationnel intense. L’axe temporel est alors déformé et le temps — toujours pour un observateur extérieur — semble s’écouler beaucoup plus vite là où la gravité est forte. Dit autrement, quelques minutes passées à proximité d’un trou noir sont suffisantes pour que plusieurs années passent là où le champ gravitationnel est moins fort. Ceci est précisément un point de l’intrigue du blockbuster Interstellar, où les personnages principaux passent 1h près d’un trou noir et voient leur proches (restés sur Terre) vieillir de 7 années (soit un ratio temporel de 61 362) — voir mon article sur Interstellar ici.

Ces deux méthodes sont parfaitement valables sur la plan de la physique.
Il reste cependant impossible de les utiliser pour le moment : nous ne disposons encore ni la technologie nécessaire pour construire un vaisseau spatial assez rapide, ni un moyen d’aller visiter les abords d’un trou noir supermassif et de revenir.

Néanmoins, il n’est pas nécessaire de voyager à des vitesses proches de la lumière ou près d’un trou noir pour être affecté par ces phénomènes. Voyager à n’importe quelle vitesse et près de n’importe quel objet massique suffit. Les effets seront simplement beaucoup moins importants.
Le meilleur cas observable peuvent être les astronautes à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS) : ils voyagent à une vitesse relativement importante (faisant le tour de la Terre en 1h30) en plus de se trouver dans un champ gravitationnel légèrement moins intense que le reste du monde, à cause de leur éloignement à la Terre.

De ces deux effets, aux conséquences contradictoires (le premier accélère l’horloge des astronautes, le second la ralentit) la plus significative est celle liée à la vitesse. Ainsi, après avoir passé 6 mois à bord de l’ISS, un astronaute a vécu 5 millisecondes de moins que nous. On peut dire qu’il a voyagé 5 millisecondes dans notre futur.

Voyager dans le passé

Effectuer un bond dans le futur, c’est possible en théorie : il suffit d’aller près d’un trou noir avec un vaisseau spatial super rapide. Mais comment revenir au présent ? Ou bien, comment aller dans le passé à partir du présent ?
Ici il n’y a pas encore de réponses précises que la science peut apporter.

On serait tenté de dire que le voyage dans le passé est impossible : le principe de causalité nous l’empêcherait : par exemple, puisque vous descendez de vos parents, alors revenir dans le passé pour empêcher vos ancêtres de se rencontrer peut-il empêcher l’existence de vos parents et donc de la vôtre dans le présent… et par conséquent vous empêcher de retourner dans le passé (en conséquence de quoi vous finiriez par exister tout de même, faute d’avoir pu prévenir votre conception !).

Ce problème apparaît dans de nombreux films, le cas le plus classique étant sûrement Retour Vers le Futur, où Marthy, ayant modifié le cours de l’histoire malgré lui, se retrouve sur le point de ne plus exister dans le présent, ni donc dans le passé, là où il s’est rendu.
C’est un paradoxe très célèbre dans le domaine du voyage temporel, qui est connu sous le nom de paradoxe du grand-père.

Ce paradoxe empêcherait donc totalement le voyage dans le passé ? À vrai dire, on ne sait pas encore.
À ce jour, avec la physique dont nous disposons, les tentatives pour prouver l’impossibilité de voyager dans le passé, y compris les travaux de Stephen Hawking n’ont pas abouties : on n’a pas réussi à prouver que le voyage dans le passé était impossible. Ceci ne dit pas qu’il est possible, ça dit juste qu’on n’est pas encore sûr que ce soit impossible, et rien ne dit que cette impossibilité existe et/ou soit un jour prouvée.

Alors c’est foutu ?
Non, pas vraiment car si on ne sait pas si le voyage dans le passé est impossible, on ne sait pas non plus s’il est possible. Toutes les possibilités restent ouvertes, et il existe diverses hypothèses destinées à contourner le paradoxe du grand-père.

L’hypothèse du multivers

L’une d’elle est l’hypothèse du multivers. Avec ça, lorsque l’on voyage dans le passé, on ne se retrouve plus sur notre propre axe temporel, mais sur un autre, dans un autre univers. Toute modification ainsi apportée au cours des événements seront alors totalement décorrélés de l’axe temporel initial. C’est ce qui arrive dans Retour Vers le Futur quand la DeLorean revient en 1985 et découvre qu’il n’y plus qu’un seul arbre debout alors que le 1985 qu’ils avaient quitté en avaient deux :

time-line in back to the future
↑ La DeLorean retourne dans le passé, un nouvel axe temporel est créé et les actions de McFly n’ont alors aucune incidence sur l’axe initial.

Ainsi il n’y aurait jamais de paradoxe du grand-père : si vous supprimez votre grand-père sur cette nouvelle branche du temps, ceci n’affectera pas votre destinée sur la branche principale. Seulement la nouvelle destinée sur la nouvelle branche (qui n’est à ce moment pas encore écrite). Votre propre existence n’y serait pas non plus compromise car elle naît de l’axe temporel (de l’univers) initial, pas de la nouvelle.

L’existence, dès votre retour, dans le passé sur la nouvelle branche laisse supposer qu’il existe plusieurs lignes du temps et donc plusieurs univers avec chacun leur déroulement propre. Un voyage dans le temps serait alors tout simplement un voyage entre les différents univers.

L’existence même d’un multivers, contenant alors plusieurs univers (dont le nôtre) n’est elle non plus pas exclue par la physique : à ce jour on n’a pas de quoi affirmer ou infirmer quoi que ce soit à ce sujet. Seuls sont possible des spéculations…

L’hypothèse de la boucle causale

Une autre idée pour résoudre le paradoxe du grand-père et donc un problème où des effets (vous) pourraient exister avant leur causes (vos ancêtres) et les empêcher, serait que l’ensemble des événements soient contenues dans une seule et même boucle qui aurait toujours existé. Ainsi, un événement dans votre passé s’est produit grâce à un autre « vous » retourné dans le temps.

On retrouve cette hypothèse dans des œuvres telles que Harry Potter et le Prisonnier d’Azkaban, où Harry et Hermione décident de changer les trois dernières heures de leur propre passé afin de sauver Sirius Black et Buck (l’hippogriffe) de la mort. À la fin de l’histoire, Harry et Sirius sont sauvés par le Harry qui est retourné dans le passé.
Telle que l’histoire est contée, durant cette boucle, le Harry « normal » ne rencontre jamais le « Harry » qui est retourné dans le passé, mais ce qui lui arrive est tout de même la conséquence des actions de ce dernier, comme le moment où un Patronus le sauve, lui et Sirius, des détraqueurs.

À noter que personne ne reste coincée indéfiniment dans la boucle pour autant : la boucle fait partie de l’histoire du temps, mais une fois qu’on dépasse l’heure de la fin de la boucle, on en sort et la vie poursuit son cours. C’est simplement qu’il existe à un moment donné, deux Harry Potter qui s’influent mutuellement.
Par ailleurs, tout ce qui se passe sur la boucle dans son ensemble a toujours existé. Le cours de l’histoire n’a pas été changé et la boucle fait partie de l’histoire :

time-line in harry potter and the prisonner of Azkaban
↑ Harry Potter retourne quelques heures dans le passé pour se sauver des détraqueurs. Une portion du temps voit donc coexister deux Harry, qui ont une influence mutuelle.

Un autre exemple assez connu est celui concernant le Titanic : certains pensent en effet qu’un grand nombre de voyageurs temporels sont allés à bord du navire pour tenter d’empêcher son naufrage. Le nombre de voyageurs temporels aurait été si important que la surcharge occasionnée a empêché le paquebot de dévier de sa trajectoire, ce qui a conduit à son naufrage.
Ici, le naufrage est donc causé par les gens du futur qui veulent tous empêcher le naufrage, mais qui en sont, du coup, responsables. Il n’y a pas de paradoxes : tout se tient et les principe de causalité sont respectés.

Conclusion à propos du voyage dans le passé

Les deux hypothèses précédentes résolvent à leur manière une partie des problèmes engendrés par un voyage temporel. Ils fonctionnent dans tous les cas pour le premier et dans certains cas seulement pour le second (le cas où une influence mutuelle entre deux personnes ou événements doit avoir lieue).

Actuellement, rien n’indique si l’une de ces deux hypothèses, les deux, aucune, ou bien une autre, est possible ou non…

Selon certaines hypothèses, même, le voyage dans le temps serait seulement possible dès l’instant où l’on invente une machine à voyage dans le temps. Il ne serait alors pas possible de voyager à une date antérieure à la date où la première machine à voyage dans le temps soit inventée. Ceci semble assez logique, et un indice qui prend l’allure de preuves serait alors que nous n’ayons parmi nous aucun voyageur venu du futur…

Cette dernière perspective, même si elle semble pessimiste peut très bien être vraie : peut-être que le voyage dans le passé est totalement impossible d’un point de vu de la physique.

Conclusion à propos du voyage dans le passé

L’avenir nous dira si le voyage vers le passé sera un jour possible ou impossible. Pour le moment notre compréhension de l’univers et nos outils mathématiques nous empêche de le répondre avec certitude à ce problème.

Le voyage dans le futur, est quant à lui possible et on en observe, dans certains cas et à petite échelle, les effets.
Il nous manque la technologie nécessaire pour la mettre en œuvre dans une application tel qu’une machine à voyager dans le temps, mais on sait déjà que rien ne nous empêche physiquement de se retrouver, un jour, 1000 ans dans l’avenir si on le voulait.

image d’entête de Zorin Denu

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Il est parfois des choses simples dans la vie de tous les jours qui sont plus complexes qu’on ne le pense au premier abord. C’est le cas par exemple des cuillères de glaciers, dont le manche est rempli de science.

Aujourd’hui, parlons des fusibles.
En dehors du fait qu’ils protègent l’installation électrique de votre maison et sauvent des vies, leur fonctionnent est plus intéressant qu’un simple fil électrique qui fond en cas de surcharge.

Ces fusibles, si vous ne le saviez pas, son en effet remplis de sable :

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En cas de surcharge, l'intensité qui traverse le fusible est trop importante pour son calibre (16 ampères par exemple) et le fil métallique à l'intérieur chauffe puis fond : le circuit est ouvert et le courant est coupé : vous êtes alors protégés. Mais ça ne s’arrête pas là : si la surcharge est vraiment importante, la rupture du fil entraîne l'amorçage d'un arc électrique suffisamment chaud pour faire fondre le sable. En se refroidissant, le sable fondu se vitrifie et devient dur : le verre obtenu joue alors le rôle d'un excellent isolant.

(Cet article a initialement été publié sur Le Hollandais Volant. J’ai décidé de le déplacer ici)

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Le Soleil, existant entre autres grâce à l’interaction faible
Si on considère la physique actuelle, elle se décrit intégralement par le biais de quatre interactions fondamentales. Cela signifie que tout phénomène peut être décrit par une fonction de ces quatre forces.
On dispose ainsi de :

  • l’interaction gravitationnelle, qu’on observe facilement en constatant que l’on est attiré par la Terre ;
  • l’interaction électromagnétique, qu’on observe avec un aimant (pour la partie magnétique) ou en se prenant un décharge électrostatique (pour la partie électrique), ou même la lumière (qui est en réalité un mix des deux) ;
  • l’interaction nucléaire forte, qui est responsable de la cohésion des noyaux atomiques (les particules du noyau se repousseraient à cause de l’interaction électromagnétique sans cette force nucléaire forte)
  • l’interaction nucléaire faible.

Parmi ces quatre interactions, les trois premières sont assez simples à se visualiser. La dernière, au contraire, a toujours été un peu plus difficile à expliquer et à comprendre :

xkcd fundamental forces
Les 4 forces fondamentales, vues par XKCD (source), où l’interaction faible pose toujours ce même problème de compréhension…

L‘interaction faible n’est pourtant pas tellement différente des autres sur son principe de fonctionnement. C’est simplement que, plus spécialement pour elle, il convient de bien parler d’interaction et non pas de force.

En soit, les interactions fondamentales se manifestent par l’échange d’une particule « messagère », un boson, entre deux autres particules qui subissent l’effet de l’interaction. Dans le cas de la force électromagnétique, le boson est un photon et elle agit sur les particules chargées (proton, électron…).

L’interaction faible n’échappe pas à cette règle : la particule vectrice de la force est un boson Z ou W et son action se fait sur les fermions, qui regroupe les quarks (constituants des protons et des neutrons) et les leptons (incluant l’électron).

Pour continuer le parallèle, tout comme la force électromagnétique permet à deux particules chargées d’échanger de l’énergie grâce à un photon, l’interaction faible permet à deux fermions d’échanger de l’énergie (ou de masse) ou de la charge.
À cause de cette particularité de pouvoir changer la masse ou la charge, ’interaction faible a pour conséquence de modifier la nature de certaines particules, donc de transformer une particule en une autre.

Le qualificatif de « faible » provient quant à lui de la petitesse du rayon d’action de cette force. Ainsi, la gravité opère sur une distance infinie, mais l’interaction faible n’agit que sur une distance n’excédant pas un millième de la taille d’un proton ! Deux fermions doivent donc être très très proches pour interagir. Ceci n’arrive pas toujours, même au sein d’un noyau atomique.
Quand cela se produit en revanche, l’interaction faible peut entrer en jeu, provoquer un échange d’un boson, et certaines particules vont alors être modifiées.

Ceci est ce qui se produit au cours de la radioactivité bêta, qui est une conséquence de l’existence de l’interaction faible : dans le carbone 14 (qui est radioactif), le noyau est structuré de sorte que les neutrons et les protons sont plus proches les uns des autres, et l’interaction faible peut opérer : un des quarks d’un des neutrons émet un boson W⁻ qui va être capté par un des quarks d’un des protons. Le neutron se transforme alors en un proton.
La différence de charge est alors émise sous la forme d’un électron et un neutrino est également émis. L’atome tout entier, ayant gagné de cette façon un proton et un électron, devient donc de l’azote 14 (non-radioactif).

La transformation du neutron en proton se fait spontanément, grâce à l’interaction faible et l’échange d’un boson W− :

désintégration beta
Ce qu’il faut comprendre ici (le diagramme se lit de bas en haut), c’est qu’un des quark « d » devient un quark « u ». Le neutron (combinaison « u, d, d » ) devient alors un proton (combinaison « u, d, u »). L’ensemble s’accompagne de l’émission d’un boson W⁻. Ce dernier, lui-même instable, va se désintégrer en un électron et un anti-neutrino électronique.

Ce processus de création d’un proton et d’un électron (et d’un anti-neutrino) à partir d’un neutron, c’est la désintégration radioactive β, qui dans le cas du carbone 14 est mise à profit dans la méthode de datation au carbone 14.

Un autre exemple « d’application » de l’interaction faible sont les étoiles. Les réactions qui ont lieu au cœur des étoiles font intervenir des émissions et des absorptions de neutrinos (un lepton), dont le passage près des atomes provoque des transformations au niveau des quark et donc des noyaux. Ici, c’est le passage du neutrino très près du noyau qui provoque l’échange d’un boson et la mutation d’un quark down en up, puis émission d’un électron et d’un neutrino.
L’ensemble est ensuite responsable des mécanismes de fusion nucléaire, dont l’énergie libérée nous profite sur Terre.

Si l’interaction forte maintient l’existence des atomes, et que la gravité et l’électromagnétisme permettent respectivement le mouvement des astres et des aimants, l’interaction faible permet aux étoiles d’exister et évite que ces amas de gaz ne s’effondrent directement en trou noir sous la force de gravité. Dans l’observation et notre compréhension actuelle de l’univers, elle a donc pleinement sa place et mérite d’être expliquée et comprise.

Ressources

image d’en-tête de la Nasa

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des miroirs
L’effet Casimir (du nom de Hendrick Casimir, pas du dinosaure) est une mystérieuse force produite par le vide entre deux plaques parallèles.
Le travail de cette force est parfois décrite comme l’énergie du vide. Cette dénomination n’est totalement fausse, mais il ne semble pas possible de pouvoir en faire une source d’énergie pour autant.

Pour comprendre l’effet Casimir, il faut visualiser le vide.
Comme je l’expliquais dans mon article sur « Rien », même dans un vide dénué de tout atomes, il reste des fluctuations dans le champ électromagnétique (et tous les autres champs quantiques). Ces fluctuations, présentes dans le vide, prennent la forme de photons. Ces photons sont caractérisés par leur longueur d’onde.

Maintenant, plaçons nous dans le vide prenons deux plaques parallèles (des miroirs) que l’on sépare d’une distance $l$ très faible, de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde des photons .

Entre les deux plaques, seuls les photons de longueur d’onde égale à un multiple entier de $l$ peuvent exister (comme la corde d’une guitare, qui ne peut vibrer qu’à une fréquence égale à un multiple entier de la fréquence fondamentale). L’intérieur des plaques ne voit donc apparaître que certains photons spécifiques.

À l’extérieur des plaques, par contre, il n’y a pas de contrainte : si les plaques sont dans un espace supposé infiniment grand (au moins devant la distance $l$), des photons de toute longueur d’onde peuvent exister :

l’effet casimir
↑ l’Effet casimir (source : Zero, The Biography of a Dangerous Idea, Charles Seife, ISBN 0-965-001-001424)

Si l’on considère maintenant la pression radiative (pression des photons) exercée sur les plaques, on voit que la somme totale de la pression à l’extérieur des plaques est plus importante que celle produite dans l’espace entre les deux plaques, tout simplement par ce qu’il y a plus de photons à l’extérieur.

L’effet Casimir se manifeste alors : sous l’effet de la différence de pression, les deux plaques vont se rapprocher.

Vous avez bien lu : le vide peut déplacer des choses. Si maintenant on arrive à capter l’énergie produite lors du déplacement de ces plaques, on peut capter un peu d’énergie du vide.
Cette force de Casimir entre deux plaques parallèles placées dans le vide a depuis été mesurée expérimentalement à plusieurs reprises.

Mais le vide n’est pas le seul endroit où l’on peut rencontrer ce phénomène.
Si on place deux plaques dans l’eau, des vagues (ondes) arrivent également de tous les côtés. Là aussi, toutes les ondes ne sont admises entre les deux plaques et l’on observe une différence de pression et donc une force qui finit par coller les deux plaques entre elles.

Ce phénomène avait déjà été observé en 1836 par P. C. Caussée, dans son livre l'Album du Marin : deux bateaux voguant de façon parallèle finissent par se rapprocher, à cause de l’absence de certaines vagues dans l’espace entre les deux navires. Ce phénomène a été expliqué en 1996 seulement, et constitue un effet analogue à l’effet Casimir hors du cadre de la physique quantique.

Image d’en-tête de Trixi Skywalker

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