La Science fait plus peur que rêver, mais peut-elle nous sauver des dangers qui nous menacent ?
Francis Bacon, scientifique et philosophe du XVIème siècle avait une vision optimiste du progrès humain, progrès apparemment sans limites, où la Science et les technologies permettraient de « connaître les causes et les mouvements secrets des choses et de reculer les frontières de l’empire de l’homme sur les choses, en vue de réaliser toutes les choses possibles »
S’il revenait en ce début du XXIème siècle, Francis Bacon pourrait s’émerveiller que l’Humanité a réalisé la plupart de ses rêves : la Science a éclairé les « mouvements secrets » de l’Univers jusqu’à ses ultimes limites spatiales et temporelles ; la Technologie -fille de la Science- a multiplié l’ « empire » de l’Homme sur son environnement et sur lui-même …
Le traitement de la pandémie de la COVID 19 (voir Covid & Opinion) est une illustration récente de cet « empire » de la Science : établir le code génétique d’un virus, mettre au point des vaccins et les délivrer à des milliards d’individus, dans un délai de 2 ans, est l’aboutissement inouï de siècles de recherches fondamentales et de développements technologiques.
Et pourtant … Et pourtant, la Science a révélé la fragilité de l’Humanité sur sa petite planète bleue, perdue (mais pas seule) au milieu des infinis du cosmos…
Aujourd’hui la Science fait plus peur qu’elle ne fait rêver (voir le post opinion et science ) ; elle est accusée d’être la source de problèmes qu’elle cherche ensuite à résoudre ; jamais, la capacité de l’Humanité à maîtriser les conséquences de ses « progrès » (énergie nucléaire, génétique, nanotechnologies, …) n’a été autant mise en question.
Jamais l’avenir de l’humanité n’a paru aussi incertain.
Alors la Science est-elle la cause et/ou le remède à nos problèmes actuels ? Et que faire : faut-il arrêter la Science ? Gouverner (contrôler) la Science ? Gouverner par la Science ?
Un cycle de conférences organisées pour l’UP de Nantes, présente le regard d’un scientifique sur ces vastes problèmes :
à Machecoul, le 25 février 2022
à Blain, le 12 octobre 2021
On trouvera en cliquant sur les boutons ci-dessous, la présentation projetée lors de ces conférences (la version Powerpoint, plus dynamique, nécessite le logiciel du même nom)
La position de l’opinion publique vis-à-vis de la Science est devenu un enjeu majeur des débats de société actuels.
Au XXIème siècle, l’opinion publique, créée ou relayée par les réseaux sociaux, établit ou défait les réputations. Elle influe sur les orientations politiques et peut se matérialiser par des mouvements de foule de grande ampleur.
Avant le XXème siècle
Jusqu’au XIXème siècle, la Science était une affaire de spécialistes qui n’intéressait qu’une petite minorité, même si la rédaction de l’Encyclopédie par Diderot, d’Alembert et autres fut un premier effort de « vulgarisation ». La célèbre citation « La République n’a pas de besoin de savants » qui “justifiait” le passage à la guillotine de Lavoisier en 1793, est sans doute apocryphe, mais pourrait illustrer le manque de considération pour la science de la société d’alors . La révolution française a toutefois promu des aventures scientifiques comme la mise en place du système métrique décimal ou poursuivi le financement de la mesure (du quart) du méridien terrestre pour fixer la longueur du mètre.
Au XIXème siècle, est apparue une forme de professionalisation de la recherche scientifique, par exemple, la création de postes de professeurs-chercheurs dans les Ecoles françaises comme Polytechnique ou le développement des universités allemandes -comme l’Université de Berlin, formatée par von Humboldt- et qui allait devenir le modèle des universités dédiées à la recherche.
L’évolution de la Science et de la technologie
La fin du XIXème siècle et le début du XXème ont vu les campagnes se couvrir de voies ferrées, les villes d’abord puis les villages s’électrifier, les usines se multiplier et embauchant des milliers (millions) d’anciens campagnards, les premiers avions voler… Révolution inouïe qui prend sa source directement dans les découvertes de l’électricité et du magnétisme, de la puissance motrice de la vapeur puis du moteur à explosion… et qui a démontré l’impact rapide et majeur de la Science sur l’économie et la société. Aux Etats-Unis, Edison fut le premier à « industrialiser » le processus qui conduit des recherches scientifiques fondamentales aux applications technologiques. En schématisant, la Science apparaissait comme source du Progrès auprès de l’opinion, avec des images de savants entièrement dévoués au bien de l’humanité, tels Pasteur ou Marie Curie.
La rupture du XXème siècle
Les chimistes de la première Guerre mondiale allait ternir cette image avec les gaz de combat. La révolution technologique du début du siècle et la première guerre mondiale ont convaincu les politiques que la Science et ses applications étaient des affaires trop sérieuses pour les laisser aux seules mains des scientifiques. On commence à allouer des budgets publics, souvent sous couvert du budget de la Défense Nationale ; signe des temps, en 1936, sous le Front Populaire, Irène Joliot (fille de Marie Curie) devient la première « sous-secrétaire d’Etat à la Recherche Scientifique ». La mise au service de la Science allemande de l’armée hitlérienne, puis le gigantesque programme militaro-scientifique américain « Manhattan » ayant conduit à la première bombe atomique, ont définitivement installé la Science et ses applications dans le domaine politique.
L’image du savant : de l’icone du “sauveur de l’Humanité, au Docteur Folamour ou à l’oncle Picsou ?
Désormais, en raison des personnels et des équipements qu’elle nécessite, la recherche scientifique est devenue dépendante des financements publics, puis privés. On est passé en moins de 2 siècles, de Lavoisier établissant les fondements de la Chimie pendant ses loisirs et sur ses propres deniers, au CERN à Genève qui mobilise des milliers de chercheurs avec un budget annuel (hors construction) de 1,5 Milliard d’euros.
Dans un tel contexte, le soutien de l’opinion publique est devenu crucial, d’abord des électeurs qui peuvent élire des députés plus ou moins sensibles aux enjeux scientifiques ; mais aussi des donateurs privés comme dans le Téléthon pour la recherche médicale, dont le succès dépend de l’adhésion du public aux projets à financer.
Une conférence “Science et Opinion” a été présentée à l’Université permanente de Nantes, dans le cycle du mercredi 2018-2019. La version audio peut-être écoutée en regardant le fichier pdf ou le fichier Powerpoint des transparents présentés ce jour-là
Le tabac est une cause de cancer : une vérité scientifique
Une “vérité” scientifique est le résultat d’un certain nombre d’étapes franchies au sein de la communauté scientifique (voir la pageLa vérité scientifique ? ). Le lien entre le tabac et le cancer a été assez vite pressenti au début du XXème siécle ; il est devenu une “vérité scientifique” par un long processus perturbé par le lobbying des industriels du tabac.
Un exemple de démarche scientifique
Les recherches sur le tabac et le cancer ont donc franchi toutes les étapes aboutissant à une vérité scientifique :
Premiers travaux publiés dans des revues après analyse critique par les pairs
Le fait scientifique dans les années 1950 est établi par des travaux indépendants aboutissant aux mêmes conclusions et une étude statistique de grande ampleur parmi les médecins anglais. Le mécanisme par lequel la fumée du tabac favorise le cancer n’est pas clairement établi.
La vérité scientifique est établie après que les études statistiques de corrélation sont confirmées par des analyses in vitro et in vivo du rôle des différents composants de la fumée de tabac et une mise en évidence de la relation doses/effets.
Existe-t-il une vérité scientifique à laquelle l’opinion publique peut se fier dans les débats de société actuels?
Des exemples de vérité scientifique
L’existence du génome, la loi de gravitation universelle de Newton, le modèle copernicien du système solaire, la tectonique des plaques… sont des vérités scientifiques. Ce sont des faits ou lois scientifiques reconnues par la communauté scientifique, testables dans tous les laboratoires et rendant compte de nombreuses observations (voir la section ” Comprendre le monde moderne .. débutant “). Les vérités scientifiques ne sont pas éternelles : le public a raison en ce sens. Car de nouvelles observations, de nouvelles expériences peuvent remettre en cause les théories établies. Mais toute nouvelle vérité -comme dans les poupées russes- devra rendre compte de toutes les observations de l’ancienne.
Par exemple, la relativité générale développée par Einstein ne contredit pas la théorie de Newton, mais l’englobe dans un cadre plus général. La théorie d’Einstein rend compte d’observations, inexplicables par la théorie de Newton. Inversement, l’intuition de la dérive des continents (tectonique des plaques) publiée solitairement par Wegener en 1912, n’est devenue une vérité scientifique des dizaines d’années plus tard. Lorsque l’accumulation des observations et le développement des connaissances fondamentales sur la physique du globe terrestre, ont convaincu la communauté scientifique.
Mais tout ce qu’un scientifique dit ou publie dans son domaine de compétences n’est pas une vérité scientifique. La publication d’un résultat d’une expérience n’entraine pas que les conclusions emportent l’adhésion de la communauté scientifique.
Les étapes vers la vérité scientifique
La figure ci-dessous expose les étapes vers l’établissement d’une vérité scientifique. A gauche en vert, les critères positifs pour franchir les différentes étapes. A droite, en rouge, les obstacles dans l’établissement de la vérité.
Les étapes de la recherche vers une vérité scientifique (au milieu), les pratiques “vertueuses” en vert à droite , les freins et biais en rouge à droite
Née au début du 20ème siècle, la mécanique quantique est à la base des technologies actuelles : des télécommunications à l’informatique. Avec l’ordinateur quantique, elle peut révolutionner notre avenir. Les présentations suivantes vont vous permettre de mieux comprendre cette théorie scientifique très efficace, mais qui défie toute représentation mentale.
Les vidéos du cours sont disponibles sur la chaîne YouTube “La Science de Bernie“; Saison 2 ” La mécanique quantique“. A la fin de chaque chapitre, les boutons pdf, ppt et vidéo donnent accès aux différentes ressources :
pdf : présentation sans animations
ppt : présentation lisible avec Powerpoint, avec animations et effets dynamiques
vidéo : vidéo accessible sur YouTube
Un manuel de survie mathématique pour découvrir ou retrouver les bases mathématiques utiles à la compréhension du cours: en version pdf, version powerpoint.
A la fin de cette page, on trouvera une bibliographie sommaire pour aller plus loin.
Les grands domaines de physique se classent selon la taille des objets en considération et de leur énergie (vitesse). Le cours traite principalement de la mécanique quantique non relativiste.
La Mécanique Quantique s’est considérablement développée tout au long du XXème siécle, mais elle pose toujours des problèmes quasi-philosophiques non résolus sur la nature du Réel. Elle s’appuie sur tous les développements de la Mécanique “classique” qui, de Galilée/Newton à Maxwell/Poincaré, en a créé les bases intellectuelles et mathématiques. pour commencer regardez la bande-annonce de cette partie du cours.
Galilée peut être considéré comme l’un des fondateurs de la Physique moderne. La mécanique classique a été formalisée par Newton pour le mouvement des planètes. La mécanique de Newton, est basée sur la notion de force à distance ; proche de la représentation que l’on peut se faire des systèmes.
Les limites de la mécanique newtonienne ont été dépassées au XVIIIème et XIX ème siècles par les formalismes de Lagrange et de Hamilton, basés sur des principes très généraux (comme le principe de moindre action). Ces principes plus abstraits se sont révélés plus adaptables aux nouvelles théories émergentes comme la Relativité ou la Mécanique Quantique.
Sans la réduire à cela, la mécanique classique a étudié, jusqu’à la fin du XIXème siècle, les propriétés de 2 grandes catégories d’objets : les corpuscules et les ondes.
Les propriétés fixes des particules classiques sont déterminées par leur lien avec les 2 interactions fondamentales connues alors : la gravitation universelle et l’électro-magnétisme.
Nous classifions leurs propriétés statiques et dynamiques en lien avec les 2 interactions fondamentales connues alors : la gravitation universelle et l’électro-magnétisme. Ceci en vue de leur comparaison avec les objets quantiques du chapitre suivant.
Les propriétés statiques et dynamiques des objets quantiques sont présentées en lien avec les 4 interactions fondamentales (gravitation, électromagnétisme, nucléaire fort et nucléaire faible).
La notion de fonction d’onde est centrale avec la dualité onde-corpuscule. Les propriétés de symétrie des fonctions d’onde introduisent les 2 familles de bosons et de fermions, avec le principe d’exclusion de Pauli pour les fermions.
Les propriétés statiques des objets quantiques sont définies à partir de leur réponse aux 4 forces fondamentales et de leurs symétries internes (comme le spin). Le modèle standard des particules élémentaires – le plus abouti à ce jour- permet de dresser la table des constituants élémentaires de l’Univers.
Les états liés des particules (ou états confinés pour être en accord avec la situation de mars 2020) caractérisent les particules qui occupent une région limitée de l’espace. Les contraintes qui en résultent sur la fonction d’onde imposent que l’objet ne peut occuper que des états d’énergie discrets (quantifiés). C’est le cas en particulier des nucléons (protons et neutrons) dans les noyaux atomiques et des électrons dans les atomes. Les états quantifiés de l’atome sont à l’origine de leurs propriétés d’émission et d’ absorption de la lumière (visible ou invisible), et donc de l’effet laser.
La plus connue des équations permettant le calcul de la fonction d’onde d’un objet quantique est l’équation de Schrödinger. Elle est valable pour les objets ayant une masse non nulle et d’énergie non relativiste. La résolution de cette équation permet de décrire par exemple l’effet tunnel ou les niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène. L’analyse de l’expérience des fentes d’Young permet d’aborder la dualité onde-corpuscule.
Les différentes interprétation de la Mécanique quantique
Bien que techniquement très développée, la Mécanique quantique pose toujours des problèmes d’interprétation ; en particulier le phénomène de réduction de la fonction d’onde lors d’une mesure en laboratoire.
Supplément au Ch IV – Equations d’onde – solutions de l’équation de Schrödinger
Le supplément présente des calculs détaillés de solutions de l’équation de Schrödinger. D’une part, l’oscillateur harmonique à une dimension, solution qui permet d’aborder les opérateurs de création et d’annihilation nécessaires pour aborder la seconde quantification. D’autre part, à trois dimensions, la classe des solutions pour les potentiels centraux (à symétrie sphérique) qui introduit les harmoniques sphériques et leurs propriétés de base.
Des propriétés nouvelles émergent lorsque l’on associe des particules quantiques dans des systèmes. Quels sont les liens des forces effectives intervenant dans les sytèmes complexes avec les interactions fondamentales ? C’est le cas notamment des nucléons dans le noyau atomique ou les électrons dans les atomes ou les semiconducteurs (systèmes de fermions).
Liens entre les interactions dans les systèmes complexes avec les interactions fondamentales
La supraconductivité est reliée aux propriétés des systèmes de bosons à basse température. Enfin le phénomène d’intrication quantique -outre les problèmes d’interprétation qu’il pose- est à la base des technologies émergentes comme l’ordinateur quantique ou la cryptographie.
Malgré ses succès, l’équation de Schrodinger souffre de sévères limitations. Elle n’est pas compatible avec la Relativité restreinte, (basse énergie) ; les champs de forces dans lesquels se meuvent les objets quantiques sont eux traités de manière classique.
Depuis cent ans, des efforts inouïs ont été faits pour élaborer une théorie globale capable de traiter l’infiniment petit à toutes les énergies. Les théoriciens butent toujours sur le mariage de la Relativité Générale et de la Mécanique Quantique – la fameuse théorie du Tout – essentielle pour étudier les débuts de notre Univers (Big Bang).
La relativité générale et la mécanique quantique donnent deux visions du monde physique, basées sur un ensemble restreint de principes, de symétries et d’équations. Ces 2 théories unitaires dépendent de grandeurs fondamentales que l’on ne peut calculer qu’à partir de l’expérience.
La dynamique de l’Univers – et sa capacité à générer des êtres vivants- dépend de manière critique de ces paramètres fondamentaux. Se pose la question fondamentale : sommes-nous un accident ou un objectif de cet Univers.
La mécanique quantique repose sur des outils mathématiques très sophistiqués. Un manuel de survie mathématique pour découvrir ou retrouver les bases mathématiques utiles à la compréhension du cours: en version pdf, version powerpoint.
Bibliographie
Exposés des principes et méthodes de la mécanique quantique
« Le Monde Quantique », Michel le Bellac, EDP Sciences. Une excellente introduction.
« Mécanique quantique », Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu, Franck Laloë. En 3 tomes et 2400 pages, un exposé complet et rigoureux de la Mécanique quantique.
” Le boson et le chapeau mexicain ” G. Cohen-Tannoudji & M. Spiro, Folio essais, un exposé de l’histoire de la physique des particules jusqu’à la découverte expérimentale du boson de Higgs.
” La révolution inachevée d’Einstein “, L. Smolin, Dunod, à partir de l’histoire de la mécanique quantique, analyse critique des différentes interprétations.
” L’écume de l’espace-temps “, JP Luminet, Odile Jacob, Analyse des différents modèles visant à réconcilier la mécanique quantique et la relativité générale
” Rien ne va plus en Physique ! “, L Smolin, Points-Dunod, analyse un peu pessimiste des échecs des théories, comme la théorie des cordes, visant à réconcilier la mécanique quantique et la relativité générale
Ondes, énergie, temps et espace, mécanique quantique sont 4 domaines de la physique, qui font l’objet de débats dans nos sociétés modernes.
Les présentations sont des supports d’exposés oraux qui traitent des Ondes (en lien avec les débats actuels sur le développement des objets connectés (téléphones mobiles, compteurs Linky, etc.); de l’énergie avec les recherches actuelles de ressources pérennes et non-polluantes et de l’entropie dont le CO2 dans l’atmosphère est la manifestation la plus éclatante ; les Relativités qui- sans bouleverser notre quotidien- nous éclairent sur l’histoire de notre Univers ; enfin la Mécanique Quantique qui est à la base de nos sociétés et de notre économie et pose des problèmes non résolus à l’entendement humain.
Des vidéos sur ces thèmes sont accessibles sur la chaîne YouTube (bouton ci-dessous, n’hésitez pas à vous abonner). Une bibliographie sommaire est accessible à la fin de la page.
Une présentation du cours est accessible ci-dessous et via le le bouton :
Quels sont les principaux types d’ondes ? Comment les caractériser ? Comment agissent-elles sur la matière, sur le vivant ? Sont-elles dangereuses ou bénéfiques ? Existe-t-il des ondes encore inconnues ? Voilà les questions abordées dans ce chapitre.
Les ondes sont émises ou absorbées de manière ordonnée ou désordonnée
Une conférence grand public de janvier 2022 traite de cette question, on trouvera les textes et vidéo de cette conférence à la page : ” Les ondes, la 5G et nous “.
Chapitre 2 l’Energie… et l’entropie
Une fois exposées les différentes formes de l’énergie et ses lois de conservation, nous définirons des critères de qualité. La concentration et la disponibilité dans l’espace sont essentielles.
Mais pourquoi le rendement des moteurs thermiques est-il limité alors que celui des moteurs électriques tend vers 100% ? L’entropie caractérise la facilité (ou plutôt la difficulté) des différentes sources à mobiliser leurs énergies, et plus généralement leur degré de désordre. La chaleur apparait comme la forme la plus entropique -donc- dégradée des différentes énergies.
La croissance inéluctable de l’entropie des systèmes isolés se traduit à notre échelle par la flèche du temps.
Et si la crise de l’énergie de la planète était d’abord une crise de l’entropie ? Pour en savoir plus : le cours en version pdf ou en version ppt.
Bilan d’énergie de la planète
Un corps humain- une entropie extrêmement basse
Une conférence grand public de janvier 2022 traite plus spécifiquement de la crise de l’énergie en 2022, on trouvera les textes et vidéo de cette conférence à la page : ” La crise de l’énergie “.
Chapitre 3 Le Temps et l’Espace (les relativités)
La détection des ondes gravitationnelles a fait récemment la une des journaux. Une “photo” d’un trou noir a été publiée (en fait une reconstitution en fausses couleurs des ondes radios émises par l’environnement du trou noir). Ce sont des preuves éclatantes de théories élaborées au début du XXème siècle; respectivement la relativité restreinte et la relativité générale.
Ces théories -au départ purement spéculatives- démontrent l’unité du Temps et de l’Espace, qui ne sont pas des entités immuables. Einstein a démontré que l’énergie conditionne le Temps et l’Espace et réciproquement. Ces théories permettent d’écrire l’histoire de l’Univers presque depuis son début (Big Bang) et de dessiner différents scénarios de son futur.
Les 4 acteurs de la Physique, unifiés en Relativité Générale
Chapitre 4 Le monde de l’infiniment petit
La mécanique quantique, élaborée au début du siècle dernier, est une théorie physique extrêmement efficace pour prédire le comportement de l’infiniment petit et développer les technologies à la base de notre société (téléphonie, télévision, internet, etc.).
Mais elle pose des problèmes non résolus sur la nature du monde réel. A partir du modèle de Schrödinger, valable aux basses énergies, un demi-siècle d’efforts des théoriciens pour rendre la théorie valable à toutes les énergies, et surtout compatible avec la relativité générale n’ont pas encore abouti.
“Au-delà de la physique, l’émergence de la vie” (Dunod) de S.A. Kauffman : un point de vue d’un biologiste, selon lequel, la physique ne peut expliquer l’origine de la vie.
“Le grand tout, sur l’origine de la vie, son sens et l’univers lui-même” (Quanto) de S.Carroll.
