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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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hyperspace
C’est à partir de la discussion sur SCMB que j’avais envie de faire un petit article ici, à propos des objets en dimension 4.

C’est quoi une dimension au sens mathématique ?

La dimension d’un espace c’est le nombre de coordonnées qu’il faut pour repérer un point dans cet espace.
Ainsi, en dimension 1 (une demi droite donc) il suffit d’une seule coordonnée pour repérer un point de cette demi-droite par rapport à l’origine.

Dans un plan, un point est repéré par deux coordonnées X et Y :

un plan cartésien XY
Un plan cartésien en XY (image)

Dans un espace en 3D, comme le monde dans lequel on vit, il faut 3 coordonnées pour se repérer : X, Y et Z généralement.
Dans un espace en 4D, il faut donc en toute logique 4 coordonnées, que je prendrais à W, X, Y, Z.

La dimension 4

Déjà, je vous dis que ce dont je parle n’est pas le temps.
Oui, en physique le temps est une dimension mais ce n’est pas pour cela que c’est le quatrième. Dans certaines théories des cordes, on utilise un espace-temps à onze dimensions, il y en aurait une de temps et dix d’espace.
Ce dont je parle ici, c’est réellement un espace à quatre dimensions spatiales, où chaque point est repéré par quatre coordonnées, et où le temps vient s’ajouter à tout ça.

Ceci étant posé, la quatrième dimension, c’est quoi ? Comment le dessiner ? Le voir ?

Notre espace étant en 3D, il n’est pas possible de faire une représentation rigoureuse d’un espace en 4D.
Il n’est pas possible de le dessiner, car un tel espace ne fait pas parti de notre monde. Pour autant, ce n’est pas pour ça qu’on ne peut pas faire des calculs avec. En mathématiques, on peut faire des calculs avec des objets ayant autant de dimensions que l’on veut. C’est difficile voire impossible à se représenter, mais les calculs, soient-ils abstraits, restent possibles.

Pour essayer de s’imaginer ce qu’est la dimension 4, on peut partir de la dimension 2.
Prenons un papier avec un plan XY. On repère un point sur ce papier avec ses coordonnées X et Y. Maintenant, prenons plusieurs feuilles munies de repères et faisons un livre : le numéro de la page correspond alors à une nouvelle coordonnée Z.

Un ver qui se trouve sur la première page et qui traverse le livre passe alors d’un plan à un autre. Pour le plan sur la première page, le ver possède une coordonnée au début, mais comme il traverse le livre, le ver finit par ne plus avoir de coordonnées sur le premier plan. Dit autrement, en dimension 2 sur la feuille, le ver est là à un moment (matérialisé par X et Y) puis il disparaît (il n’a plus de coordonnées du tout).

Nous, qui observons le ver, voyons le ver passer d’un plan à un autre. Sa coordonnée Z évolue.

Maintenant prenons plusieurs livres éparpillées sur une table. Chacun étant un empilement de plusieurs feuilles. Pour repérer le ver, il faut donc un X, un Y, ainsi qu’un Z, mais aussi une nouvelle coordonnée — W — qui renseigne sur l’identité du livre.

Le ver ne peut évoluer que dans des livres, il ne peut donc pas passer sur la table et rejoindre un autre livre. Il est, comme nous, prisonnier des trois dimensions de l’espace. S’il pouvait évoluer dans la dimension 4, alors il disparaîtrait d’un livre pour se retrouver au milieu d’un autre.

Tout comme il disparaissait d’un plan XY quand il évoluait selon l’axe Z, ici, il disparaît d’un espace XYZ quand il évolue dans la quatrième dimension W.
En gros, pour nous, un être de dimension 4 est capable de se téléporter d’un endroit à un autre : il disparaît un moment de notre espace puis revient ailleurs et un peu plus tard, sans qu’on puisse le voir se déplacer.

Ce n’est pas de la science fiction, c’est simplement que nous, humains, sommes dans un espace à 3 dimensions et incapables de changer ça.
Selon certaines hypothèses et théories (dont les théories des cordes), étant données que la matière (atomes…) évolue dans nos 3 dimensions, s’il en existe d’autres, alors elles sont plus fines que la dimension des atomes, empêchant la matière de passer d’un endroit à un autre de l’espace par téléportation.

On ne sait pas si d’autres dimensions existent, ni à quelles échelles. De grandes théories existent, mais il est difficile, et peut-être même impossible de les prouver… pour le moment.

Segment, carré, cube, hypercube !

Le segment, est la base en dimension 1.
Le carrée est la figure la plus régulière en base 2 : il est obtenu par duplication du segment puis en les reliant.
Le cube est la figure de base de la dimension 3 : on prend deux carrés parallèles qu’on relie point à point.

L’hypercube ? Facile : on prend deux cubes et on les relie, sommet à sommet aussi.

Comment s’imaginer ça ?

Si on regarde un carré depuis un côté, alors un voit une simple arête : un segment.
En regardant un cube depuis un côté, on voit un carré.

Maintenant, il faut imaginer qu’un cube c’est simplement un « côté » d’un hypercube. En faisant tourner (en dimension 4) l’hypercube, on peut voir un autre côté, donc un autre cube. Aussi, tout comme le cube est un assemblage de 6 carrés, l’hypercube est l’assemblage de 8 cubes :

le patron du tesseract
↑ Un hypercube déplié en 8 cubes (image)

Cependant… Ce que vous voyez là sur l’image, c’est bien un segment, c’est bien un carré mais ce n’est pas un cube et encore moins un hypercube.

On voit une représentation en 2D (à plat) d’un cube.
Pourquoi est-ce différent ? Parce que par définition, le cube a ses faces de même forme et de même surface. Ce n’est pas le cas sur ce dessin. La perspective permet de mieux se représenter un objet d'une dimension supérieure dans une dimension inférieure, mais cette représentation n’est pas l’objet en lui-même.
Pour obtenir un vrai cube, il faut le sculpter et non plus le dessiner.

L’hypercube ici, c’est encore pire : c’est un objet en 4D dessiné dans un plan en 2D. Si on essaye de faire une représentation en 3D, on obtient quelque chose comme l’Arche de la Défense, à Paris.
Mais cela reste encore une simple représentation : l’hypercube réel n’est pas comme ça : si on arrivait à voir en 4D, tous les cotés, faces, cubes seront de même longueur, surface, volume.

Cet hypercube n’est qu’une représentation en 3D du véritable hypercube.
Tout comme on pourrait imaginer l’ombre d’un cube sur un plan (on verrait alors quelque chose comme le cube sur l’image ci-dessus), on peut voir l’Arche de la Défense comme la forme 3D représentant une ombre tridimensionnelle d’un hypercube.

Comment voir en 4D ?

Il n’est pas impossible de s’imaginer des choses en 4D voire en 5D, 6D… Je pense que la puissance de l'imagination est infinie de ce côté là. L’évolution ne nous a juste pas doté d’un besoin de voir en 4D, et donc rien de la 4D n’est intuitif. Ceci dit, il y a bien des choses qui ne soient pas innées et qu’on arrive à faire. Voir en 4D n’en est donc qu’une de plus.

Si vous voulez vous y tenter, je vous propose le film réalisé par l’ENS de Lyon : Dimensions. C’est un film en licence CC et téléchargeable gratuitement. Il est aussi possible de commander un DVD.

Vous pouvez aussi lire le livre Flatland, d’Abbott : il trace la vie d’un personnage vivant dans un plan 2D et qui est amené à passer quelques temps en 3D. L’auteur y invite finalement le lecteur, habitant d’un monde en 3D, de s’imaginer un univers en 4D.
Le livre date de 1884 et est donc tombé dans le domaine public depuis longtemps. Je vous en partage une édition ici : abbot_flatland.pdf. Je vous préviens quand même que le livre peut aussi être vu comme une critique de la société Victorienne (ce n’est donc pas juste un manuel de math).

Flatland a aussi été adapté en deux films : Flatland et Flatland the film, ce dernier est en ligne sur Youtube.

Je n’ai pas de méthode directe pour apprendre à imaginer un 4D, mais les deux méthodes décrites ici (dans Flatland et dans Dimensions) sont similaires : se mettre à la place de créatures en 2D voulant apprendre la 3D, puis transposer tout ça à nous : se mettre en 3D et voulant apprendre la 4D.

Voilà d’autres explications (en anglais et en vidéo) :

image de Procsilas Moscas


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

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bechers en chimie
Ils sont instables, explosifs, corrosifs ou oxydants : certains produits chimiques sont tellement puissants qu’ils nécessitent d’importantes précautions d’emploi, même pour les professionnels.

L’hydrogène

Composant des 3/4 de l’univers connu, l’hydrogène est sur Terre un gaz explosif, détonant et très combustible. Il s’associe avec l’oxygène de l’air pour former de l’eau et libérer une importante quantité d’énergie (mise à profit dans les boosters des fusées).
Dans la bombe à hydrogène (bombe H), la plus puissante bombe créée par l’homme, ce n’est pas sa réactivité chimique qui est utilisée, mais un mécanisme de fusion thermonucléaire.

La nitroglycérine

la nitroglycérine
Classique : ce composé liquide de formule $C_{3}H_{5}(NO_{3})_{3}$ explose en formant plusieurs gaz, dont le dioxyde de carbone, le diazote, du dioxygène et l’eau. Si son explosion est si importante c’est en partie à cause de la grande quantité de gaz produits : plus de 1000 fois le volume de gaz par rapport au volume liquide.
La nitro est également très instable mécaniquement : un choc peut détruire la fragile molécule et libérer de la chaleur pour produire une réaction en chaîne. En revanche, des bâtons de sable ou du carton imbibé de nitro sont stables : sous cette forme, c’est de la dynamite. Il peut alors être transporté et même jeté au feu sans que ça n’explose. Pour le faire péter, il faut une onde de choc, telle qu’une étincelle. Ce procédé, breveté par Alfred Nobel, à la fin du 19e siècle, lui permis d’acquérir une immense fortune, dont les seuls intérêts suffisent encore aujourd’hui à distribuer les fameux prix Nobels.

L’oxygène liquide

L’oxygène est un comburant : il permet une combustion. Sa forme gazeuse pure est déjà suffisamment concentrée pour réactiver instantanément la flamme d’une allumette simplement incandescente. L’oxygène liquide est chimiquement 1 485 fois plus concentré et a donc un pouvoir oxydant plus important. Certains produits explosent à son contact, comme ce coton imbibé d’où l’on approche une flamme.
L’ozone, ou tri-oxygène, est encore plus corrosif que le dioxygène normal.

Le tri-iodure d’azote

trinitrure d’azote
Ce produit, sous sa forme solide, est des plus instables : un simple effleurement par une plume suffit à produire sa détonation. Sous sa forme dissoute dans l’eau il ne pose pas de problèmes, mais l’endroit où il sèche sera forcément l’endroit où il va exploser. Il est impossible de le transporter, car le moindre choc provoque son explosion : même une particule cosmique ou un bruit un peu fort peuvent déclencher l’explosion.

Le difluore

La plupart des produits chimiques sont conservés dans du verre car ce dernier est assez peu oxydable. Le difluor est un des gaz si corrosifs qu’il attaque le verre. Le fluor est ce qu’on appelle « électronégatif » ce qui signifie qu’il est en manque d’électron. Attaquer un matériau pour lui prendre un électron est sa façon de se stabiliser.

Le fluor attaque l’intégralité du tableau périodique à la seule exception des deux éléments les plus stables : l’hélium et le néon. Même le platine ou l’or ne sont épargnés.
Une des façons de le stocker est d’utiliser un récipient en nickel oxydé : la couche d’oxydation arrive à stopper la corrosion par le fluor.
N’importe quel matériau s’enflamme instantanément au contact de ce gaz : papier, coton, bois, acier.

On trouve du fluor dans le dentifrice ou le sel de table, mais il n’est pas pur. Car une fois que le fluor a trouvé un électron, il est stable et ne présente aucun danger. Dans le dentifrice, il oxyde les dents pour se fixer dessus, empêchant les bactéries de le faire et protégeant ainsi la dent.

L’eau régale

L’eau régale est le seul acide (sauf les superacides) capable de dissoudre l’or. C’est un mélange d’acide chlorhydrique de d’acide nitrique concentré. L’acide nitrique arrive à retirer un atome d’or, et l’acide chlorhydrique arrive à le prendre à l’acide nitrique, pour qu’il en retire un autre, et ainsi de suite.
Les deux acides pris de manière séparée n’arrivent pas à dissoudre l’or, ce qui est d’autant plus intéressant d’un point de vu chimique.

L’acide fluoroantimonique

l’acide fluoroantimonique
(source)

C’est le superacide le plus fort connu à ce jour. Il est dix mille million de milliard de fois plus puissant que l’acide sulfurique à 100 % ! L’étudier est assez difficile en raison de ça, vu qu’il dissout tout ce qui entre en contact avec lui. Il est par ailleurs très difficilement conservable, et seul le téflon peut s’en charger.

La thermite et la thermate

La thermite est un mélange d’aluminium et d’oxyde de fer tous les deux en poudre. Sa particularité est de générer une chaleur plus qu’intense atteignant les 2500°C. Cette vidéo le montre à l’œuvre en train de fondre à travers un bloc moteur, en quelques secondes. La thermate contient en plus du souffre par rapport à la thermite, qui augmente encore plus ses effets.

Le potassium solide

Le potassium, comme le sodium ou le césium et tous les éléments solides de la première colonne du tableau périodique réagissent violemment au contact de l’eau : ils s’enflamment et explosent, libérant de l’hydrogène qui va lui aussi exploser. Le produit qui reste est, dans ce cas, une solution d’hydroxyde de potassium : un agent très corrosif.

L’octonitrocubane

l’octanitrocubane
C’est une belle molécule en forme de cube avec à chaque coin un groupe nitro $NO_2$. Il s’agit de l’explosif non-nucléaire le plus puissant au monde, mais qui malgré cela est extrêmement résistante et stable : il peut être chauffé à 200 °C et percuté avec un marteau sans qu’elle explose. Sa synthèse est cependant difficile, et la production à grande échelle n’est pas encore possible.

Le trifluorure de chlore

Ce produit est corrosif, toxique (il dissout la chair et les os), explose au contact de l’eau, entre en ébullition exposé à l’air et brûle à plus de 2 400 °C. Il a été mis au point par les Nazis avant la seconde guerre mondiale, mais fut rapidement abandonné car trop dangereux et délicat à manipuler.
Il est tellement instable qu’il dissout le béton et réagit vivement si le récipient qui le contient n’est pas propre.

Le diazide de (5-azido-1H-tétrazol-1-yl)-carbamimidoyle

azoazide azide
Souvent, une molécule carbonée qui contient beaucoup d’atome d’azote est aussi un puissant explosif. C’est le cas de la nitroglycérine, ou de l’octonitrocubane vu ci-dessus. La présente molécule (azidoazide azide en anglais, et dont j’ai dû recréer le nom français avec un peu d’aide) contient quatorze atomes d’azote pour deux atomes de carbone, ce qui en fait l’un des explosifs les plus puissants au monde, mais contrairement à l’octonitrocubane et à l’instar du tri-iodure d’azote, il est très instable ! Il explose au chocs, au bruit, quand on allume la lumière, le place en solution et même… sans aucune raison particulière.

Le tétraazidométhane

tetraazidomethane
Prenez un atome de carbone et collez-lui 4 groupes d’azoture instable $\text{N}_3$ : vous avez formé du tétraazidométhane, la molécule organique avec la plus haute concentration en azote, et l’une des plus denses en énergie !
Il est dit qu’une seule goutte de ce produit peut faire péter le récipient qui le contient, en plus de la hotte de protection sous laquelle on le manipule.

Lien :

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

image de Kingway School

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i
Dans beaucoup de films de science fiction faisant intervenir des aliens, ce sont les aliens qui viennent sur Terre pour nous envahir, et non les humains qui vont envahir une autre planète peuplée d’extra-terrestres. C’est le cas par exemple de Independence Day, ou encore plus récemment d’Avengers.

Ceci suppose que les extra-terrestres soient en mesure de voyager à travers la galaxie pour venir nous voir, typiquement à bord d’un vaisseau spatial, et très certainement, en empruntant des trous de ver (voir ça plus loin pour savoir pourquoi).

Une remarque peut donc être faite : étant donnée que sur le plan de l’exploration spatiale nous ne sommes allées (en dehors de la Terre) que sur la Lune et nul part ailleurs, ça signifie que les aliens sont techniquement beaucoup plus avancés que nous !

On peut se demander : comment classer le niveau d’avancement technologique d’une civilisation ?

Une façon parmi d’autres de poser le problème est de voir quelle quantité d’énergie peut être produite, consommée et exploitée par la civilisation.

Ceci n’est pas si stupide : la production d’énergie de notre espèce ne fait que croître depuis toujours. De la maîtrise du feu, à l’emploi de chevaux, d’esclaves, puis de poudre à canon, de machines à vapeur, à charbon, puis à explosion, électriques et enfin à l’énergie de fission nucléaire, nous consommons toujours plus d’énergie.

Une partie de l’énergie est utilisée pour l’exploration spatiale : aujourd’hui on utilise des fusées et des sondes à propulsion chimique, ionique ou solaire pour explorer d’autres planètes. L’exploration spatiale demande énormément de ressources, et on imagine très bien que voyager à travers la galaxie pour envahir une planète va en demander beaucoup, beaucoup plus encore.

L’échelle de Kardashev

Partant de cette base, il a été proposé de mesurer la quantité d’énergie mise en jeu par toute une civilisation, de la quantifier, et de classer une civilisation sur une échelle. C’est ce qu’a fait en 1964 l’astrophysicien Nikolaï Kardashev.
Il est parti du principe qu’une civilisation peut « récolter » l’énergie disponible dans l’univers, et il classe les civilisation en se basant sur l’ordre de grandeur de la quantité d’énergie captée.

Kardashev définit 3 types de civilisations : le Type I, le Type II et le Type III.

Le Type I

Une civilisation de Type I est capable de capter et d’utiliser toute la puissance d’une planète.
Pour nous, ça veut dire la puissance disponible sur Terre. Ceci inclut le vent, les cyclones, les marrées, la chaleur, les volcans, les orages, les énergies fossiles (charbon, gaz, nucléaire…) et les énergies du vivant (bois, biocarburant…).

Quantitativement, ceci correspond environ à $10^{16}$ à $10^{17}\text{ watts}$.

Le Type II

Cette civilisation est capable de capter toute la puissance de son étoile (pour nous, ça serait donc le Soleil).
Le Soleil tire son énergie de la fusion thermonucléaire, et cette énergie rayonne dans toutes les directions autour du Soleil (nous ne recevons sur Terre qu’une minuscule partie de ce rayonnement). Une façon de faire serait de placer des panneaux solaires partout autour du Soleil et de canaliser toute l’énergie vers la Terre, les vaisseaux spatiaux, ou quoi que ce soit qui puisse utiliser cette énergie.

Le Soleil émet $3,86\times10^{26}\text{ watts}$. Kardashev proposait de mettre la barre à $10^{26}\text{ watts}$.
Le Type II consomme donc environ un milliard de fois plus de puissance qu’un Type I.

Au passage, l’idée d’une sphère de panneaux solaires autour d’une étoile pour en capter la totalité de l’énergie, se nomme une sphère de Dyson.

Le Type III

Plus fort encore, une civilisation de Type III est capable de récolter la puissance de toutes les étoiles de sa galaxie, et de l’utiliser à sa convenance.
Notre galaxie comportant environ 100 milliards d’étoiles de toute sortes, cela représente la quantité énorme de $10^{37}\text{ watts}$.

Là encore, le rapport de puissance énergétique entre un Type III et un type II est de l’ordre du milliard (10 milliards pour être précis).

Pour résumer :

l’échelle de Kardashev
↑ Consommations énergétiques des trois types de l'échelle de Kardashev (image : wiki-commons)

Le Type IV

Plus tard, il est parfois ajouté à la liste un Type IV.
Une civilisation de ce type est, vous l’aurez compris, en mesure de capter toute la puissance de toutes les galaxies, ainsi que le rayonnement intergalactique. Une telle civilisation aurait également la capacité de traiter l’information à l’échelle galactique, donc beaucoup, beaucoup d’information.

L’astrophysicien Carl Sagan a modifié l’échelle de Kardashev pour l’affiner, et permettre de situer des civilisations intermédiaires. Ainsi, il considère qu’une civilisation de type 1,1 serait capable de capter l’équivalent de 10 planètes comme la Terre, tout en restant très loin de l’énergie d’une étoile.

Où se situe l’espèce humaine ?

Selon la formule de Carl Sagan :

$$K = \frac{log_{10}W - 6}{10}$$

Le niveau intermédiaire $K$ (le chiffre après la virgule) et donnée à partir de la puissance consommée $W$. L’humanité se trouverait alors autour de 0,75 sur l’échelle de Kardashev (la puissance consommée par les humains représentant autour de 12 000 millions de TEP par an), soit aussi environ un millième de la puissance de notre planète Terre.

Sachant que notre économie (et notre énergie) est en bonne partie basée sur le pétrole et le charbon, il faudrait des ressources en énergies fossiles 1000 fois plus importantes que ce qu’on a actuellement pour atteindre le Type I.
Ceci étant improbable, il est absolument nécessaire de se tourner vers d’autres sources d’énergie, plus durables et plus puissantes. On pense en particulier l’énergie solaire, la fusion nucléaire, et pourquoi pas l’énergie des cyclones, volcans ou tremblements de terre.

Enfin, pour finir sur les humains, si nous parvenons au Type I et que nous souhaitons continuer à évoluer, nous devrons conquérir d’autres planètes pour avoir plus d’énergie, d’où le rapport avec l’exploration spatiale et les extra-terrestres.

Où se situent les extra-terrestres ?

Si l’on prend l’exemple des extra-terrestres dans le film Avengers, ceux-ci envahissent New-York en passant par un trou de ver.

La simple mention du trou de ver suffit ici à donner une idée de l’énergie mise en œuvre par cette civilisation.

Un trou de ver, c’est un court-circuit dans la structure de l’espace-temps, qui permet de passer d’un endroit de l’univers à un autre plus rapidement que ne le ferait la lumière, typiquement en franchissant quelque chose comme une porte.

Ces « objets » sont théoriquement possibles et largement décrit, comme par exemple le pont d’Einstein-Rosen. En pratique, on pense qu’ils existent à l’échelle de Planck, c’est à dire de la taille incroyablement petite de $10^{-35}\text{ m}$ (soit 20 d’ordres de magnitude plus petit qu’un noyau atomique) et d’une durée de vie de $10^{-43}\text{ s}$, mais on ne les observe pas, ni en petit, ni en grand.

Il n’est pas exclu non plus, par la théorie, que ces « portes spatio-temporelles » existent à d’échelles plus grandes, mais il faudrait une énergie faramineuse pour arriver à les agrandir et surtout à les maintenir ouvertes. Or, cette énergie est, selon les sources, de l’ordre de celle d’une galaxie entière et ses milliard d’étoiles.

Une civilisation capable de produire un trou de ver est donc au minimum une civilisation de type III.

Pourquoi évoluer ?

En tant que civilisation, on a historiquement toujours conquis et exploré le monde. Il a pris par exemple 1 500 ans après l’ère de César pour traverser l’océan et découvrir un nouveau continent. Et il a pris 450 ans de plus pour voyager jusqu’à la Lune. Certains visionnaires convoitent désormais l’idée d’aller sur Mars, soit ~50 ans après la Lune.

En tant qu’espèce vivante, et représentant de « la Vie », nous ne pouvons nous permettre de rester sur Terre : tôt où tard, notre planète sera détruite, et si ce n’est pas par nous même, ça sera par le Soleil, dont la durée de vie est limitée. Il nous reste environ 50% d’autonomie, soit 4~5 milliards d’années avant que le Soleil explose. Il nous faudra donc partir d’ici là (et bien avant en fait, car le Soleil gagne en luminosité au fil des éons) si nous voulons survivre.

Partir où ? Comment ?

Si on considère que si on veut voyager librement dans l’univers (par exemple comme dans Stargate, avec des portes), alors il nous faudra obligatoirement maîtriser la technologie des trous de ver.

En effet, avec les fusées actuelles, il faut 9 mois pour voyager sur la première planète possiblement habitable de notre propre système solaire — Mars — (et c’est déjà un problème non résolu à ce jour…). Pour arriver à la première étoile, il faut compter quelques dizaines de milliers d’années.

Si on arrivait à voyager à la vitesse de la lumière, la première étoile serait encore à 3 années de voyage, et traverser la Voie Lactée nous prendrait toujours 100 000 ans. Voyager à la vitesse de la lumière serait bien trop lent : un aller simple vers les exo-planètes les plus proches découvertes aujourd’hui aurait déjà la durée de l’ordre d’une vie humaine !

Dit autrement : sans trous de vers, nous n’irons nul part.

À ces échelles de temps, si nous n’évoluons pas, et si nous restons toujours au stade d’une civilisation de Type 0,7, ou même de Type 1, alors nous n’existerons plus dans quelques milliards d’années.
Alors non, pas la peine de se presser, mais il ne faut pas s’asseoir sur nos acquis pour autant : comparé à d’éventuelles autres civilisations, il est possible que nous ne soyons que des êtres primitifs ayant encore tout à découvrir et à inventer.

Image d’entête de Tama Leaver

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two USAF fighters
J'ai découvert que cette question faisait de gros débats sur le net, et qu'en plus l'explication courante, sur la différence de vitesse de l’écoulement de l’air, était fausse.
Voici donc une explication qui, j’espère, remettra un peu les pendules à l’heure.

Pour commencer, il y a principalement quatre forces qui s’exercent sur un avion en vol :

  • La traction des hélices (ou la poussé des réacteurs) qui tire (ou pousse) l'avion vers l'avant ;
  • La traînée, résultant des frottements avec l'air sur la surface de l'avion, qui freine l'avion ;
  • Le poids de l'avion, qui attire l'avion vers le bas ;
  • La portance, qui permet à l'avion de se maintenir en l'air.

En jouant sur la portance et la traction, on peut faire monter et avancer l’avion comme on veut.
De ces quatre forces, c'est la portance qui est la moins facile à comprendre : comment une aile peut-elle générer une force dirigée vers le haut ?
Il y avait plusieurs théories et évidemment, l'explication populaire est fausse (du moins, elle n’explique pas tout).

L'explication fausse et courante : l'air accélère et crée une dépression sur la partie bombée de l’aile

Cette explication, on l’a tous entendu. Voici son énoncé :

Une aile d'avion est bombée sur le dessus, donc la distance à parcourir en passant au dessus est supérieure à celle à parcourir en dessous.

aile d'avion
L'air allant plus vite en haut à cause du trajet plus important à parcourir produire une dépression au dessus de l’aile, ce qui aspire l’avion vers le haut. C’est le théorème de Bernoulli.

Alors, oui, l’effet de Bernoulli existe et ses effets sont observés et largement mis en pratique dans tout le monde de l’aéronautique (par exemple dans le tube de Pitot, qui permet de mesurer la vitesse de l’avion en vol).

L'ennui, c'est que cet effet d'aspiration dû à la vitesse ne suffit pas : même pour un avion de ligne volant à 800 km/h, la différence de pression est beaucoup trop faible pour soulever un avion entier. Un simple calcul montre qu’il faudrait une distance à parcourir au dessus de l’aile de l’ordre de 50 % plus grande qu’en dessous, soit largement plus que les 1 à 2 % mesurés sur un avion.

Par ailleurs, il a été constaté que l’air passant au dessus et l’air passant en dessous ne se rejoignent pas du tout en même temps : en fait, l’air passant au dessus de l’aile arrive avant celui passant en dessous ! Et même si ceci accentue l’effet de Bernoulli, cela ne suffit toujours pas à soulever un avion. Il faut autre chose pour expliquer le vol d’un avion.

Enfin, et pour donner le coup de grâce à cette théorie, certains avions sont munis d’ailes à profil symétrique et même plans (comme un avion en papier)… Et ils volent très bien, y compris parfois sur le dos !

Une explication plus crédible

La principale raison à la portance s'explique avec la troisième loi de Newton et l’effet Coandă.

L’effet Coandă, c’est quand vous prenez une cuillère et que vous en présentez la partie bombée sous le filet d’eau du robinet, comme sur cette image : le filet d’eau est dévié dans le sens du creux, car elle épouse les courbes de la cuillère. En réaction, la cuillère est aspirée dans l’autre sens.

Il se passe la même chose avec une aile d’avion : une aile d'avion est inclinée (si ce n’est pas tout l’avion qui l’est). De cette manière, elle imprime au courant d'air un changement de direction. Le flux d'air va avoir un mouvement descendant et l’aile aura un mouvement ascendant, par réaction.

L’effet Coandă intervient car l’air suit le profil de l’aile.
Tout le monde n’est pas d’accord avec ça : certains auteurs préfèrent ne pas évoquer cet effet en le réservant pour des situations plus spécifiques. À la place, ils invoquent un principe de cause à effet entre Bernoulli et la troisième loi de Newton : la faible pression juste au contact de l’aile force l’air à coller à l’aile et se retrouve dévié vers le bas.
Ce problème de terminologie ne change rien car le résultat est le même, à savoir que l’écoulement de l’air épouse le profil de l’aile, vers le bas :

écoulement de l’air sur une aile
↑ L’air au dessus de l’aile suit la courbe de l’aile (image)

La 3e loi de Newton dit qu’à toute force exercée dans un sens, il y a une force associée s'exerçant dans le sens opposé avec la même intensité. C'est le principe d'action-réaction. Donc, quand l’air est poussée vers le bas, l’avion est poussée vers le haut.

Dans le cas des ailes qui sont effectivement asymétriques, l’air passant au dessus est le seul qui est dévié, et poussé vers le bas (l’air en dessous continue pratiquement en ligne droite). Ceci permet de réduire la portance pour les avions supersoniques : la vitesse produisant d’elle-même une portance suffisante. Le même avion à faible vitesse doit en revanche utiliser des ailerons lors du décollage et de l’atterrissage, pour compenser.

Pour les hélicoptères et les hélices en général, c’est la même chose. Lorsque l’hélicoptère est au sol et que les palles tournent sans soulever l’appareil, leur profil est parallèle au sol : les palles ne font que passer dans l’air sans le dévier (la palle étant placée parallèle au flux d’air, on dit que l’hélice est mis en drapeau). Quand le pilote décide de décoller, les palles sont inclinées, l’air est poussé vers le bas et l’hélicoptère s’élève. Ceci permet de modifier la portance sans avoir à toucher à la vitesse de rotation de l’hélice et à celui du moteur, qui est généralement prévu pour fonctionner à régime fixe et constant.

Le même principe est utilisé pour le gouvernail des navires : il s’agit en simplifiant d’une planche qui dévie l’écoulement de l’eau dans un sens, provoquant un virage du bateau dans l’autre sens. Le profil du gouvernail n’est pas tellement important pour obtenir cet effet.

Enfin, un dernier truc : sur l’image ci-dessus, on voit que le flux d’air commence à monter bien avant l’aile. Ceci est dû à la compression de l’air au dessous de l’aile et qui repousse l’air jusqu’à plusieurs mètres autour de la surface inférieure de l’aile. Cette compression est due à l’avancement de l’avion, et elle participe également de façon directe (en poussant l’aile vers le haut) et indirecte (en forçant l’air sous l’aile à dévier vers le bas) à la portance de l’avion.

Conclusion

La principale raison de la portance d'un avion est que l'aile pousse le flux d'air vers le bas, et que par réaction l'aile est poussée vers le haut haut

En pratique, il y a beaucoup d’effets d’aérodynamique qui interviennent. Le débat reste ouvert car la théorie qui se base sur l’effet Coandă et la loi de Newton n’expliquent toujours pas tout, comme par exemple l’effet de sol, qui a besoin de théories beaucoup plus compliquées issues de la dynamique des fluides.

Il reste néanmoins des constantes dans tous les cas :

  • l’effet de Bernoulli existe et est un effet réel. Néanmoins, l’explication populaire qui l’évoque ne suffit pas à expliquer ce qu’on observe. De plus, les hypothèses de départ invoquées dans cette théorie sont fausses.
  • l’explication évoquant l’effet de Bernoulli requiert un profil d’aile asymétrique, or certains avions ont des ailes à profil symétrique (et même plats).
  • l’aérodynamique est compliquée et il faut prendre en compte beaucoup d’effets combinés pour expliquer toutes les situations. Tout n’est pas encore expliqué non plus.
  • dans certains cas, il existe des conditions limites pour que les effets Coandă et celui de Newton puissent soutenir l’avion en l’air.

Liens

Références

Deux autres articles en français sur le sujet :

Voir aussi

photo d’entête de NMK Photography

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

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