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the very large array telescope

Deux possibilités existent : soit nous sommes seuls dans l'univers, soit nous ne le sommes pas. Les deux hypothèses sont tout aussi effrayantes.
— Arthur C. Clarke

Une des plus grandes questions existentielles qui soient est « sommes nous seuls dans l’univers ? ».
Au vu de l’immensité inimaginable de l’Univers, je pense qu’il faut être incroyable égocentrique pour penser que oui, mais qu’est-ce que la science a à dire là-dessus ?

L’équation de Drake

Dans l’hypothèse de l’existence de civilisations extra-terrestres, on ne retiendra que celles qui peuvent technologiquement communiquer avec nous.
D’un point de vue scientifique, on peut toujours essayer d’estimer le nombre de ces civilisations présentes dans notre galaxie. On se base alors sur divers paramètres comme le nombre de planètes habitables et la probabilité qu’une de ces civilisations soit contemporaine à la nôtre.

Ce problème et cette méthode de calcul a été transcrit mathématiquement par Frank Drake dès 1961. Son équation initiale — l’Équation de Drake — est celle-ci :

$$N = R^{*} \times f_{p} \times n_{e} \times f_{l} \times f_{i} \times f_{c} \times L$$

où :

  • $N$ est le nombre de civilisations ;

et :

  • $R^*$ est le nombre d'étoiles en formation par an dans notre galaxie ;
  • $f_p$ est la fraction de ces étoiles possédant des planètes ;
  • $n_e$ est le nombre moyen de planètes potentiellement propices à la vie par étoile ;
  • $f_l$ est la fraction de ces planètes sur lesquelles la vie apparaît effectivement ;
  • $f_i$ est la fraction de ces planètes sur lesquelles apparaît une vie intelligente ;
  • $f_c$ est la fraction de ces planètes capables et désireuses de communiquer ;
  • $L$ est la durée de vie moyenne d'une civilisation, en années.

À partir de ces facteurs, estimées de la façon la plus réaliste possible et en se basant sur le niveau de connaissance actuelle, donne un résultat égal à $10$ civilisations avec laquelle nous pourrions techniquement entrer en contact, rien que dans notre galaxie.

La première conclusion très importante est que ce nombre n’est pas nul.
Ceci ne concerne que notre galaxie, la Voie Lactée. Si on considère qu’il y a environ le même nombre de civilisations dans chaque galaxie, alors le nombre de civilisations dans l’univers visible serait d’environ mille milliards.

Le paradoxe de Fermi

Aujourd’hui pourtant, toutes nos tentatives visant à détecter l’existence de ces civilisations — en cherchant de leur part ce que nous même laissons comme « trace », c’est à dire principalement des ondes radio ou des traces de composés chimiques dans l’atmosphère des planètes (oxygène, méthane…) — ont été infructueuses.

D’où le paradoxe suivant : « si les civilisations sont si nombreuses dans l’univers, où sont-elles ? ». Ce paradoxe est connu sous le nom de Paradoxe de Fermi.

Plusieurs solutions relativement simples à comprendre peuvent apporter des éléments de réponse.

La première c’est que les civilisations extraterrestres intelligentes sont bien là, mais qu’elles ne nous ont pas trouvés (c’est un peu notre cas).
Ceci peut s’expliquer par la taille incommensurable de l’univers. Par exemple, nos émissions radio, les ondes radio que nous avons émis depuis leur découverte il y a environ un siècle, ont parcouru dans l’univers l’équivalent de 100 années lumières autour de la Terre. Ça semble beaucoup, mais ça ne représente que 0,1 % du rayon de notre galaxie…

Une autre hypothèse c’est que les civilisations sont là mais elles ne nous perçoivent pas comme « intelligents ».
Ceci est simple à comprendre : prenons nos ancêtres les plus proches : les chimpanzés. L’intelligence de leur individus les plus malins leur permet de faire un peu de langage de signes et de reconnaître des formes géométriques. Pourtant, l’ADN de l’humain est identique à 98 % à leur ADN. C’est ce dernier 2 % qui nous permet de parler, écrire, calculer, d’envoyer des fusées en orbite… Alors imaginez comment une civilisation juste 2 % plus avancée que nous nous percevrait-elle, si nous même ne voyons pas les chimpanzés comme intelligents ? Même question pour des civilisations 5 %, 10 % ou 50 % plus évolués que nous ?

Inversement, nous ne percevons peut-être pas forcément les signaux extraterrestres car ils sont trop avancés pour nous. Si elles communiquent avec des ondes radio (comme nous), leurs communications sont peut-être suffisamment chiffrées et compressées qu’ils ne semblent à nos yeux que du bruit, sans signification. C’est en tout cas ce que pense Ed Snowden.

Enfin une autre explication est que les civilisations ne sont pas éternelles. Une civilisation qui a existé il y a 50 millions d’années ne peut plus être détectée. Parlant d’immortalité, notre espèce ne l’est pas non plus et si nous ne nous en rendions pas compte assez rapidement, nous nous éteindrons avant de pouvoir garantir notre survie dans l’univers, réduisant à néant la possibilité de rencontrer un jour une civilisation autre que la nôtre.

Si nous voulons découvrir de la vie extra-terrestre, il faut écouter, aller voir ailleurs et perfectionner notre technologie pour faire tout ça. Pour ça, nous ne pouvons nous permettre de rester à notre stade actuel avec les problèmes que l’on rencontre : climat, IA, etc. Ce serait la fin de l’humanité et nous en serions notre propre cause. C’est là ce que pense Stephen Hawking : notre espèce est condamnée si elle n’avance pas sur la plan scientifique.

image de Diana Robinson

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Après avoir discuté pour savoir si le blanc et le noir sont des couleurs ou non, une autre question qui revient souvent avec les couleurs, c’est pourquoi on obtient du jaune en mélangeant de la lumière rouge avec de la lumière verte ?

La synthèse des couleurs

En art, on utilise les trois couleurs primaires que sont le cyan, le magenta et le jaune primaire. En mélangeant ces couleurs entre elles, on peut recréer toutes les couleurs. On appelle cela la synthèse soustractive, car chaque pigment soustrait des longueurs d’ondes de la lumière blanche incidente et l’œil ne reçoit alors plus que ce qu’il reste (et si les pigments sont trop nombreux, il ne reste plus rien et on obtient du noir) :

En science, on entend au contraire plutôt parler des trois couleurs fondamentales, que sont le rouge, le vert et le bleu.
Utilisées sous la forme de lumières colorées (par opposition aux pigments précédents), on arrive ici aussi à obtenir toutes les couleurs avec juste ces trois là. Dans ce cas on parle de synthèse additive, car on additionne différentes lumières colorées pour former des mélanges. Quand on additionne beaucoup de lumière et de toutes les couleurs, le spectre se complète et on obtient de la lumière blanche :

La synthèse additive est celle qui est utilisée sur les écrans (de télé, d’ordinateurs…). Chaque pixel est composé de trois sous-pixels, qui sont rouge, vert et bleu, et dont la lumière permet alors de reconstituer toutes les couleurs.

Si la synthèse soustractive semble assez intuitive, la synthèse additive l’est un peu moins. En particulier le fait que l’on arrive à obtenir du jaune avec de la lumière verte et de la lumière rouge.

Rouge + vert = jaune ?

Pour comprendre pourquoi le rouge et le vert donne du jaune, il faut revenir à l’origine de la notion de couleur.
La lumière est composée d’ondes lumineuses. L’énergie véhiculée par chaque onde lui confère une longueur d’onde bien précise. L’œil est sensible à ça et le cerveau interprète chaque longueur comme une couleur bien précise. La notion de couleur est donc l’interprétation de la longueur d’onde des rayons lumineux.

Si l’on veut être exact, les cellules photosensibles sur la rétine ne sont en réalité sensible qu’à des bandes de longueurs d’onde bien précises, au nombre de trois et centrées autour du jaune, le vert et le bleu-violet. C’est ensuite le degré d’excitation de chaque type de cellule qui permet au cerveau d’interpréter une couleur précise en dehors de ces trois là :

spectre d’absorption des cônes
Spectre d’absorption des différentes cellules de la rétine (image)

Si un photon de couleur rouge arrive dans l’œil, il n’excitera que les cellules dont la bande d’absorption lumineuse passe par le rouge (la troisième en partant de la gauche, sur l’image).
Si des photons de couleur jaune arrive dans l’œil, ils exciteront en majorité les cellules sensibles au jaune et aussi un peu celles sensibles au vert (vu que leur domaine d’absorption se recroise). Le cerveau interprète donc ça comme du jaune.

Maintenant, si deux photons, un rouge et un vert arrivent dans l’œil, les cellules sensibles au rouge et au vert seront excités. Le photon rouge excitera exclusivement la cellule sensible au jaune, et le vert excitera majoritairement la cellule sensible au vert mais également un peu celle sensible au jaune. Quand on fait le bilan, donc, on se retrouve avec la même sensation que si l’on avait envoyé un photon jaune.

Dit autrement, l’œil (le cerveau) ne voit pas la différence entre deux photons jaunes d’un côté et un photon rouge plus un photon vert de l’autre. Pour lui, il s’agit de jaune dans les deux cas.

Rouge + vert + bleu = blanc ?

Maintenant, vous l’avez compris je pense : si l’on mélange les trois couleurs fondamentales en proportions égales, toutes les cellules photo-sensibles de l’œil sont excitées. Le cerveau reçoit alors le signal comme quoi la lumière en question est un spectre complet et il interprète cela comme du blanc. Inversement, la lumière blanche va exciter les trois types de cellules également, mais seules les longueurs d’ondes rouges, vertes et bleues vont réellement avoir un impact sur la perception.
Dans les deux cas, l’œil et le cerveau ne voit pas la différence : pour lui, que l’on éclaire sous la lumière blanche ou avec trois LED (une rouge, une verte et une bleue), le résultat est le même.

En pratique, c’est d’ailleurs comme cela que l’on fabrique des LED à lumière blanche : on combine un petit nombre de longueurs d’ondes pour reformer la sensation de la lumière blanche.

Le spectre lumineux d’une telle lumière étant loin d’être complet, vu qu’il manque toutes les autres longueurs d’ondes intermédiaires, l’énergie véhiculée par la lumière des LED est très faible : c’est pour cela que la lumière LED est dite « lumière froide », et qu’elle ne chauffe pas comme une lampe à incandescence.

Le cas du magenta

Le magenta, comme d’autres couleurs particulières (rose, marron…) ne figurent pas dans les couleurs de l’arc-en-ciel. Il n’y a aucune longueur d’onde correspondante à ces couleurs !
Le magenta est simplement une illusion d’optique, que le cerveau nous propose quand on éclaire avec les deux couleurs situées aux deux extrémités du spectre visible : le rouge et le bleu.

Il en va de même pour le rose ou le marron et bien d’autres couleurs qui n’existent que parce qu’ils sont des mélanges de deux « vraies » longueurs d’ondes.

Une remarque similaire peut être faite pour le blanc et le noir.

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photo du chocolat qui ne fond que grâce à la casserole
Avec une gazinière où une plaque chauffante, la chaleur des flammes ou de la plaque est captée par la casserole par conduction, c’est à dire par contact.

Une plaque à induction en revanche, c’est froid ! Si vous l’allumez et que vous posez votre main dessus, vous ne risquez pas de vous brûler. Posez une casserole ou un objet métallique dessus, et il deviendra très vite très chaud.

Alors quelle science se cache dans cet appareil qui chauffe les éléments métalliques et pas les mains ?
La réponse est l’induction électromagnétique.

Comme l’a montré Maxwell au XIXe siècle, les phénomènes électriques et magnétiques sont couplées : un aimant placé en rotation dans un conducteur va produire un courant électrique, et un courant électrique dans une bobine conductrice en fait un électroaimant. Ceci est très important et c’est ce qui utilisé dans les plaques à induction.

Sous la plaque sur laquelle vous posez votre casserole se trouve une importante bobine de cuivre. Quand on met la plaque en route, un courant électrique circule dans la bobine. D’après ce que je viens de dire, il y a apparition d’un champ magnétique autour.
Quand on approche la casserole, on place en fait cette casserole dans le champ magnétique. Or, notre casserole en métal est elle aussi conductrice d’électricité : le champ magnétique va donc induire un courant électrique, appelé courant de Foucault, dans le fond de la casserole. Enfin, ce courant va chauffer la casserole par effet Joule.

schéma de l’induction
Le courant électrique de la bobine produit un champ magnétique. Ce dernier va induire un courant « de Foucault » dans la casserole, et ce courant va chauffer la casserole.

Pour aller un peu plus loin, si l’on examine les équations de Maxwell, on note que la présence seule d’un champ magnétique ne suffit pas à induire un courant électrique dans la casserole. Il faut en plus que ce champ magnétique soit variant. C’est pour cela que dans une génératrice, l’aimant placé dans la bobine doit tourner pour produire de l’électricité.

Dans une plaque à induction, on produit un champ magnétique variant simplement en envoyant un courant électrique alternatif à haute fréquence dans la bobine : le courant étant alternatif, le champ magnétique produit est variant et le fond de la casserole se voit traverser par un courant électrique qui le chauffe, et la casserole va ensuite réchauffer la nourriture.

Il faut noter plusieurs choses à propos des plaques à induction.
Premièrement, on ne peut utiliser que des casseroles en métal : une casserole en verre ne fonctionnera pas.

Ensuite, la plupart des plaques à induction aujourd’hui détectent la présence de la casserole sur la plaque : le courant induit dans la casserole va à son tour produire un champ magnétique (opposé à celui de la bobine de la plaque), et la présence de ce champ est détectée par des capteurs placés sous la plaque. La plaque s’éteint quand on retire la casserole. De plus, si votre casserole n’est pas assez épaisse, le champ magnétique est insuffisant et la plaque ne la détecte pas. C’est pour cela que les plaques à induction demandent l’utilisation de casseroles spéciales, qui ont bien souvent un fond relativement épais et massif, pour maximiser l’intensité du courant induit et donc l’échauffement.

Enfin, si vous ne vous brûlez pas en posant votre main sur une plaque à induction, une casserole chaude peut avoir réchauffé la plaque (par contact), et vous risque de vous brûler quand même en posant la main sur une plaque qui vient de servir, attention donc.

photo d’en-tête de appliancesonline.com

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

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Charles Darwin Portrait
Bien mal comprise est la notion d’évolution au sens biologique. En effet, contrairement à l’interprétation populaire, l’évolution n’est pas la métamorphose (même partielle) d’un individu en un individu plus avancé.

Pour commencer, un individu n’évolue pas : un singe ne peut jamais devenir un être humain simplement en « évoluant ». Les caractéristiques d’un être vivant sont déterminées par son ADN et celui-ci ne change pas au cours de sa vie : les gènes ne se commandent pas. Un individu reste donc tel qu’il est et ne changera pas (hormis, bien-entendu, les effets du vieillissement) : l’évolution à proprement parler ne concerne donc pas un individu.

Quand on parle de l’évolution, on désigne l’évolution d’une population d’individus au fil des générations.

Prenons par exemple un ours brun vivant dans les montagnes d’une région tempérée. Son pelage brun est parfaitement adapté à la vie dans la forêt : le brun se fond dans l’ombre des sous-bois et permet de chasser sans se faire repérer. La couleur du pelage est déterminée par un gène présent sur l’ADN des ours de cet espèce.

Imaginons maintenant que, lors d’une division cellulaire, le gène responsable de la couleur du pelage soit accidentellement modifié et que la production du pigment brun ne soit plus codé. À ce stade, les conséquences de cette mutation sont nulles. Au mieux, le changement dans une seule cellule de l’ours va modifier la couleur d’un seul poil de l’ours.

En revanche, et c’est là que ça devient intéressant, si cette mutation intervient dans un gamète de l’ours, et que ce gamète est celui qui soit sélectionné quand l’ours va se reproduire, alors toutes les cellules de l’ourson porteront cette modification. L’ourson aura un pelage entièrement blanc : aucune des cellules ne pourra produire le pigment brun.
Si l’ours a deux oursons, la modification sur l’ADN n’ayant été opérée que sur un seul gamète, seulement un ourson sera blanc. L’autre sera brun.

Dans l’environnement de la montagne et de la forêt, un pelage blanc n’est clairement pas adapté pour la chasse ou pour se cacher. Un ourson blanc sera très nettement défavorisé, et sa survie alors largement compromise. Si l’ourson blanc ne survit pas suffisamment longtemps pour lui-même se reproduire, alors le gène du pelage blanc n’est jamais transmis. C’est donc l’environnement et l’habitat naturel qui détermine si une nouvelle caractéristique est intéressante ou non pour une question de survie. On qualifie ce principe là de « sélection naturelle ». C’est l’environnement qui conditionne le maintient d’une caractéristique au sein d’une espèce vivante.

Si maintenant le climat se refroidit, et que la montagne devient de plus en plus enneigée et donc blanche, alors ce sera l’ourson blanc qui a le plus de facilité pour chasser. L’ourson blanc aura donc beaucoup plus de chances de survivre que son frère au pelage brun. Il aura plus de chances d’arriver à l’âge adulte et se reproduire, et donc de transmettre son gène de « blancheur ».
On comprend donc facilement qu’au bout de plusieurs générations, les ours les plus enclins à survivre dans un environnement enneigé et à se reproduire sont ceux qui ont le pelage blanc. Au fil du temps, c’est toute la population d’ours qui va avoir un pelage blanc.

Comme on le voit, à aucun moment un ours particulier n’a subitement changé de couleur. Le changement de couleur s’est fait par la descendance et au fil des générations, le tout conditionné par l’environnement et des ours.

L’évolution selon Darwin fonctionne de cette façon : les caractéristiques d’une espèce apparaissent de façon aléatoires et c’est l’environnement qui détermine si cette caractéristique va subsister dans l’espèce ou simplement disparaître.

Les changements au niveau des gènes interviennent de façon aléatoire. Lors de la division cellulaire, le brin d’ADN contenu dans la cellule va se dupliquer. C’est lors de cette duplication qu’une erreur peut se produire : la duplication n’est en effet pas une opération parfaite, les erreurs arrivent. Un peu à la manière d’une « faute de frappe » quand vous recopiez un texte, la plupart des fautes sont sans incidences sur la compréhension du texte, mais certaines peuvent changer le sens d’une phrase. Dans la réplication de l’ADN il en va de même : la plupart des erreurs sont sans conséquences, mais certaines en ont d’importantes : du changement de couleur du pelage, à la forme des griffes ou la taille du cerveau.

De modification en modification, une population d’être vivants s’adapte donc à son environnement : ceux dont les modifications constituent un avantage survivent mieux que ceux dont la modification est un handicap.

Il y a beaucoup d’autres facteurs que le climat qui puisse influer sur le maintient ou non d’une nouvelle caractéristique chez une espèce : si une espèce de plantes dispose d’un forme particulière, certains insectes vont vouloir se cacher parmi ces plantes pour échapper aux prédateurs ; c’est ainsi qu’on trouve les phasmes, qui sont des insectes s’étant adaptés pour ressembler à des plantes :

un phasme
Le phasme, un insecte qui a évolué vers l’apparence d’une plante pour échapper à l’attention des prédateurs (image)

Dans d’autres cas, c’est la fleur qui va s’adapter aux insectes. On voit ainsi certaines fleurs ressembler à certaines espèces d’abeilles : l’insecte, leurré, va être attiré par la plante et effectuer la pollinisation pour la plante :

the bee orchid
L’Ophrys abeille, une orchidée qui a pris la ressemblance d’une abeille (image)

Dans certains cas, c’est l’homme (en particulier) qui sélectionne les individus d’une espèce et les fait ses reproduire entre eux, afin d’affiner les caractéristiques de cette espèce. C’est ainsi que la domestication des loups ou des chats il y a quelques milliers d’années a permis d’en « créer » des gros, des petits, des mignons, des poilus, des forts, des rapides à la course… Même chose pour l’agriculture : en sélectionnant les épis de céréales qui ont donné le plus de grain, on peut avoir, année après année, des plantes qui produisent de plus en plus, ou qui résistent aux insectes, ou qui nécessitent moins d’eau..
Tout ceci a été de la manipulation génétique aussi, mais elle est aléatoire et incontrôlée : on peut simplement avantager certains caractères dans la descendance d’une espèce vivante, mais pas les créer ou les forcer.

Pour créer et forcer l’expression d’un gène particulier (et donc d’une caractéristique particulière) dans un individu, on utilise les organismes génétiquement modifiés. On peut ainsi rendre une plante résistante à un insecte, ou transplanter un gène d’une espèce à une autre : il existe des chèvres avec un gène d’araignée, qui produisent du lait riche en protéine de soie, ou encore des lapins fluorescents dans le noir (grâce à un gène trouvé sur une méduse). Ceci est possible parce que tous les êtres vivants sur cette planète partagent le même support de base pour l’information génétique : l’ADN.

Ceci confirme également l’idée selon laquelle tous les êtres vivants sont issus d’une même espèce vivante initiale (une simple cellule), et dont les individus se sont lentement différentiés en plusieurs espèces au fil des éons.

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two fish
Quand il fait froid, les lacs, les canaux et les rivières peuvent également geler et de recouvrir d’une importante couche de glace.

Ceci nous amène à la question : comment les poissons survivent-ils l’hiver, sans geler ?

C’est la question que personne ne se pose mais qui permet d’introduire une des (nombreuses) particularités de l’eau par rapport à pratiquement tous les autres liquides.
De façon générale, la densité d’un liquide varie avec la température. Généralement, la densité maximale est atteinte au point de fusion. Pour l’eau et une poignée d’autres liquides, ce n’est pas le cas. La densité maximale de l’eau est ainsi atteinte à +3,98 °C.

Dans un lac où les couches d’eau sont empilées par densité, le fond (le plus dense) est à 3,98 °C. En hiver, l’eau à 0 °C, moins dense, se retrouve à la surface et gèle, formant une couche de glace recouvrant le lac.

De plus, et ceci est vrai pour tous les liquides, quand un matériau passe à l’état de solide, il libère une importante quantité de chaleur appelée chaleur latente (c’est ce qui est mis à profit dans les chaufferettes de poche). Cette chaleur part dans l’eau et empêche toute la rivière de geler d’un seul coup. C’est aussi ça qui permet au lac gelé de rester globalement entre 0 et 3,98 °C durant plusieurs mois alors que l’air peut descendre jusqu’à −10 ou −20 °C.

Les poissons, eux, survivent en restant au fond de la rivière, là où il fait 3,98 °C.

En été, il se produit l’opposé : le fond le plus dense est toujours à 3,98 °C, mais les couches au dessus sont alors plus chaudes (également moins denses). Là également, les poissons vont préférer rester au fond de la rivière où la température est stable.
Les poissons disposent donc tout au long de l’année, au fond du lac, une région où la température est constance et évidemment toujours liquide.

La nature est bien faite, non ?

photo de Anita Hart

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

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