David Louapre – Page 36 – Science étonnante

Physique 6 juin 2011

La gravité, une force émergente d’origine entropique ?

L’attraction gravitationnelle est une force mystérieuse qui pose bien des ennuis aux physiciens théoriciens. Dans un papier récent [1] qui fait le buzz dans la communauté, Erik Verlinde propose une hypothèse audacieuse : la gravité ne serait pas une force fondamentale, mais un phénomène émergent ayant pour origine la propension qu’a tout système physique à maximiser son entropie.

L’exemple des forces de pression

Quand on considère les forces qui s’exercent sur un objet, certaines sont l’expression macroscopique de forces bien identifiées à l’échelle microscopique, comme par exemple l’interaction électrostatique. D’autres en revanche sont la manifestation d’effets thermodynamiques, sans correspondance directe au niveau microscopique. L’exemple le plus simple, c’est la pression d’un gaz !

Mathématiques 30 mai 2011

Pourquoi les marchés financiers fluctuent-ils tous de la même manière ?

Il y a quelques jours le prix 2011 du « Meilleur jeune économiste français » a été décerné à Xavier Gabaix, qui travaille et enseigne à l’Université de New-York. En collaboration avec des physiciens, il s’est notamment penché sur la question des fluctuations des marchés financiers, et a proposé un modèle pour tenter d’expliquer l’universalité de ces fluctuations.

Les fluctuations du CAC40

On le sait bien, les marchés financiers fluctuent, et ce de manière apparemment imprévisible. Mais en analysant un historique de ces fluctuations, on peut observer des choses intéressantes, notamment mesurer la probabilité d’apparition des évènements extrêmes que sont les fortes hausses ou fortes baisses.

Prenons notre bon vieux CAC40, et regardons son historique depuis une vingtaine d’années (ci-contre). On va s’intéresser à ses fluctuations d’un jour sur l’autre, exprimées en pourcentage. Vous savez ce chiffre que nous annonce le présentateur à la fin du journal télé « La bourse de Paris a clôturé en baisse de 2.12% ».

Physique 23 mai 2011

Le moteur homopolaire : le moteur électrique le plus simple du monde

Pour réaliser le moteur électrique le plus simple du monde, vous n’avez besoin que de 4 composants : une pile, un aimant, un fil de cuivre et une vis. Voyons un peu cette expérience très simple, et la physique qui est derrière. L’occasion peut être pour vous de (re-)découvrir le principe du moteur électrique !

De l’expérience avant toute chose

Pour réaliser cette expérience, procurez vous une vis, une pile AA de 1.5 volt, un fil de cuivre et un aimant. Placez l’aimant sur la tête de la vis, laquelle doit ainsi se magnétiser, et pouvoir tenir aimantée sur un des pôles de la pile. Connectez une des extrémités du fil de cuivre sur l’aimant et la seconde sur le pôle opposé de la pile.

Et voilà le résultat, l’aimant et la vis se mettent en rotation ! Comme vous pouvez le voir je n’ai pas chômé cette fois, puisque j’ai vraiment fait l’expérience moi-même !

Biologie 16 mai 2011

Comment nos gènes trahissent nos origines

En principe, notre ADN sait beaucoup de choses sur nous. Mais il n’est pas si simple de faire parler la quantité immense d’information qu’il contient. En 2008, des chercheurs ont réussi à montrer qu’il est possible de lire nos origines géographiques dans nos gènes, moyennant une méthode statistique adaptée : l’analyse en composantes principales.

A la pêche aux gènes

Pour faire parler nos gènes, il y a deux difficultés à surmonter : transcrire les informations contenues dans notre ADN en données numériques, puis trouver les bonnes méthodes statistiques qui permettent d’exploiter ces données.

Pour réaliser leur étude publiée dans Nature [1], John Novembre et ses collaborateurs sont partis d’une population de 3192 individus européens dont ils ont réalisé un génotypage. Mais qu’est-ce que cela signifie, génotyper ?

Physique 9 mai 2011

Le verre, cet inconnu

Le verre est un étrange état de la matière. On entend parfois qu’il s’agit d’un liquide extrêmement visqueux, mais il est un peu plus que cela.

Pour comprendre une partie de son secret, il ne faut pas seulement regarder ses propriétés physiques, mais aussi la manière dont il est fabriqué.

Les états de la matière

Comme on l’apprend à l’école, il existe essentiellement trois états de la matière : les solides, les liquides et les gaz. La caractéristique distinctive des solides est que ce sont des cristaux : quand on les regarde à l’échelle atomique, ils révèlent une structure ordonnée, où les atomes sont disposés en réseau cristallin.

L’image ci-contre montre la structure cristalline du quartz (SiO2). Chaque atome de silicium (en bleu) y est lié avec 4 atomes d’oxygène (en rouge), selon un motif périodique.

La structure cristalline ordonnée des solides contraste avec la situation des liquides et des gaz, qui sont des états désordonnés. Au niveau microscopique, les molécules qui les composent sont distribuées de manière aléatoire, et pour cause elles n’arrêtent pas de bouger !

La structure du verre

Le verre de nos vitres et de nos bouteilles est un matériau solide, on peut donc penser qu’il possède lui aussi une structure cristalline. Mais si on le regarde à l’échelle microscopique, ça n’est pas le cas ! Les atomes qui le composent sont distribués de manière totalement désordonnée, comme dans un liquide. Et pourtant ces atomes sont bien figés et immobiles, comme dans un solide. On dit que le verre est un solide amorphe.

Biologie 2 mai 2011

Quand a-t-on commencé à s’accoupler ?

Nous les humains, nous avons la chance et le plaisir de nous reproduire par accouplement. Puisque ça n’est pas le cas de toutes les espèces animales, on peut légitimement se demander quand, comment et pourquoi ce mode de reproduction est apparu dans l’histoire évolutive.

Pour essayer de répondre à cette question, partons à la découverte d’effrayant fossiles de poissons ancestraux : les placodermes.

Les modes de la reproduction sexuée

Les animaux pratiquant la reproduction sexuée se classent en deux groupes suivant leur mode de gestation. Chez les ovipares, l’embryon se développe au sein d’un œuf, alors que chez les vivipares, il se trouve directement au sein de l’organisme maternel.

Mais on peut aussi classer les espèces par mode de fécondation : s’il y a accouplement du mâle et de la femelle, on parle de fécondation interne alors que si des œufs sont pondus par la femelle et fécondés ensuite par le mâle (généralement en milieu aquatique), on parle de fécondation externe.

Le tableau suivant montre des exemples pour ces différents cas de gestation et de fécondation :

Pour comprendre comment la reproduction sexuée a évolué, il nous faut déterminer quels étaient les modes de reproduction des espèces qui nous ont précédé. Mais ça n’est pas si simple de deviner le comportement sexuel d’un animal en regardant son fossile !

Physique 26 avril 2011

La photosynthèse artificielle : de l’énergie à partir de soleil et d’eau

Il y a quelques jours, Daniel Nocera et son équipe du MIT ont annoncé avoir mis au point la première « feuille artificielle » [1]. Il s’agirait d’un dispositif qui, une fois plongé dans l’eau, permet de produire de l’hydrogène à partir de la lumière du soleil. L’hydrogène ainsi fabriqué serait alors facile à stocker ou à transporter.

Cette annonce ayant fait un peu de bruit dans la blogosphère (là et là, par exemple), essayons de faire le point sur les principes physiques sur lesquels se base cette technologie.

Stocker l’énergie du soleil

Le soleil est aujourd’hui la source d’énergie renouvelable la plus abondante. Mais contrairement aux centrales classiques, l’énergie n’est pas disponible en continu au cours de la journée : il faut trouver un moyen efficace et peu cher de stocker cette énergie. Beaucoup de travaux sont donc menés pour imaginer des batteries plus performantes, moins chères et plus durables.

Pour mesurer la capacité d’un système de stockage d’énergie, on regarde ce qu’on appelle l’énergie spécifique : la quantité d’énergie (en Joules) que l’on peut stocker par kilogramme. Pour une batterie Li-ion, on est par exemple autour de 0.5 MJ/kg. La meilleure batterie du monde avoisinerait les 2.5 MJ/kg.

Mais ces performances de stockage des batteries sont à comparer à celles des combustibles : 50 MJ/kg pour du gaz naturel et près de 150 MJ/kg pour de l’hydrogène ! On voit que les combustibles sont une bien meilleure forme de stockage de l’énergie que les batteries ! (source)

Mathématiques 18 avril 2011

Le paradoxe de Monty Hall (…disponible également en version « pigeon »)

Le problème de Monty Hall est un célèbre jeu de probabilités qui tire son nom d’une émission télévisée. On le qualifie de paradoxe, car la bonne stratégie à adopter nous semble souvent contre-intuitive.

Des expériences montrent d’ailleurs que même en répétant plusieurs fois le jeu, l’être humain a vraiment du mal à comprendre le truc, alors que le pigeon, lui, s’en sort très bien.

De là à conclure à la supériorité intellectuelle des volatiles, il n’y a qu’un pas !

Le principe du jeu

Le paradoxe de Monty Hall trouve son origine dans le jeu télévisé Let’s Make a Deal, diffusé aux Etats-Unis à partir de 1963. L’animateur Monty Hall y proposait le choix suivant.

Un candidat est présenté face à 3 portes : derrière une seule de ces portes se trouve un cadeau, alors que derrière chacune des deux autres portes se trouve un objet sans intérêt (typiquement : une chèvre).

Le candidat choisit une de ces 3 portes, mais sans l’ouvrir;
L’animateur (qui sait où se trouve le cadeau) ouvre une des 2 portes restantes, en prenant soin (si besoin) d’éviter la porte qui contient le cadeau (la porte ouverte par l’animateur révèle donc toujours une chèvre);
Le candidat a alors le choix entre conserver sa porte initiale, ou changer pour pour prendre l’autre porte restante.

Que doit faire le candidat ? Conserver ou changer ?

Réfléchissez donc 5 minutes…

Physique 11 avril 2011

La surfusion de l’eau, c’est supercool !

C’est bien connu, l’eau gèle à 0°C. Ce sont les lois de la thermodynamique qui nous le disent. Et la thermodynamique, c’est une science sérieuse !

Et pourtant dans certains cas, la nature a des réticences à suivre les lois de la thermodynamique : avec quelques précautions, il est ainsi possible de refroidir de l’eau à des températures inférieures à 0°C, sans qu’elle gèle !

Surfusion et solidification

Pour réaliser cet exploit, il faut refroidir l’eau très précautionneusement, par exemple dans un extérieur calme ou un congélateur bien isolé des vibrations. Si vous avez de la chance et du doigté, vous pourrez obtenir de l’eau liquide à -15°C ! C’est ce qu’on appelle l’état de surfusion.

L’explication réside dans le fait que même en dessous de 0°C, la réaction de congélation de l’eau ne se déclenche pas spontanément : elle a besoin d’une perturbation pour démarrer. Cette perturbation peut être une vibration, une impureté, un choc, etc.

En revanche, comme nous allons le voir, dès que la solidification a pu démarrer quelque part dans le liquide, elle se comporte comme une réaction en chaîne et se propage rapidement dans tout le volume d’eau disponible.

Rien ne vaut une belle vidéo pour illustrer ça. Youtube en regorge alors ne nous privons pas. Sur celle-ci l’expérimentateur (qui a oublié sa blouse blanche) possède une bouteille d’eau liquide qui a été refroidie en dessous de 0°C.

Biologie 4 avril 2011

Aux origines de l’homme : de Lucy à Toumaï

Avec ses 3.2 millions d’années, Lucy est longtemps restée la plus ancienne représentante connue de la lignée humaine. Pourtant, elle a maintenant perdu ce statut au profit de Toumaï, dont le crâne (ci-contre) a été découvert au Tchad en 2001, et dont on estime l’âge à 7 millions d’années environ.

Un fossile dont la découverte est lourde d’implications et de controverses paléontologiques.

La lignée humaine

Comme tous les écoliers le savent maintenant, l’homme ne descend pas du singe, mais nous sommes cousins. Cela signifie qu’il y a plusieurs millions d’années, les grands singes et les humains ont eu un ancêtre commun. Ce dernier a ensuite évolué dans différentes directions, une de ces directions donnant la lignée humaine, les autres donnant les chimpanzés, les gorilles, les orang-outangs.

On a d’abord pu penser que l’homme s’était détaché des singes, puis que ces derniers s’étaient différenciés (voir ci-contre). Grâce aux méthodes dites de classification phylogénétique, on sait maintenant que la séparation s’est faite plus progressivement.

L’arbre phylogénétique montre notamment que les singes les plus proches de nous sont le chimpanzé et le bonobo, et qu’ils sont d’ailleurs plus proches de nous que du gorille, puisque ce dernier s’est séparé plus tôt dans l’arbre. D’après des analyses de biologie moléculaire, la séparation hommes-chimpanzés, se serait produite il y a environ 5 à 6 millions d’années.